LM3150 Buck型开关电源电路的应用设计及仿真验证分析

现代电子系统设计都需要一个恒定输出的供电电源，无论输入电压还是负载电流发生变化，只要这些变化在稳压源的运行范围内，稳压源都要保证电路有恒定的连续的电压输出。在便携式系统中，输入电压常常来自电池或直流电压源，而系统所用的芯片越来越多，芯片的功耗也越来越大，系统各芯片对电源的电压、电流和性能要求也多种多样。开关电源以PWM技术为主，通过改变脉冲的占空比调节输出电压，如何根据电压和电流情况并考虑性能、功耗和体积等因素在众多的电源芯片中选型并优化，是电子系统设计中面临的重要问题。借助于TI最新的WEBENCH电源设计工具可以在TI众多的电源芯片中挑选出适合项目的芯片并进行外围电路设计和优化。

1 Buck变换器的工作原理

Buck变换器又称为降压变换器，其基本的原理图如图1所示。

如图1所示，Buck变换器主要包括：开关元件MOS管M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。如图，当M1导通时，V1与输出电压Vdc相等，D1反向截止。电流IM1=IL1流经电感L1，电流线性增加，经电容C1滤波，产生输出电压Vo和输出电流Io。R1和R2对Vo采样得到Vs，Vs与参考电压Vref比较得到信号Vea。如图1（a）所示，Vtr》Vea时，控制信号VG跳变为低电平，MOS管M1截止。此时，电感L1两端的电压极性反向，二极管D1承受正向偏压，并有电流ID1流过。若IL1

2 BUCk变换器设计

2.1 LM3150功能介绍

LM3150是一款简单易用，且可提供最高达12 A输出电流的简易降压电源控制器，采用eTSSOP-14封装。LM3150的工作输入电压范围为6～42 V，输出电压可按需要而调整，最低可达0.6 V，开关频率可调节至1MHz。LM3150控制器采用固定导通时间（COT）结构，具有特快的瞬态响应，无需外置环路补偿，有助于减少外置元件数和降低设计复杂性;可使用低等效串联电阻（ESR）输出电容器，从而降低了整体设计方案尺寸和输出电压纹波。LM3150内部结构如图3所示。

2.2 LM3150电路优化设计

WEBENCH Design Environments是独特而强大的软件工具，能在很短的几秒内提供定制照明、电源、时钟、滤波以及传感设计等。WEBEN CH简单易用的工具能帮助用户创建、模拟并优化符合独特规格的设计。与此同时，这些工具能让用户在将设计投入生产之前在设计、系统和供应链层面进行基于价值的权衡。

开关电源设计的重要参数是效率、体积和成本，这几个方面不可能同时到达最优，而跟效率、成本和体积紧密相关的因素主要是：开关频率，电感，MOS管的开关损耗以及MOS管导通损耗。借助于WEBENCH软件可以完成芯片外围电路的优化选择。

基于LM3150设计的BUCK型开关电源电路如图4所示。该电路能在输入直流电压范围为10～15 V，输出3.3 V，负载电流2 A，效率优先并可达到90%以上。

2.2.1 开关频率和效率的选择

借助于WEBENCH可以对开关电源电路设计的效率、成本、面积和开关频率进行优化，如表1所示是WEBENCH对LM3150应用电路在最高效率、最小面积和中间方案的对比结果。

从表中可以看出，效率最高的方案开关频率最低但占用面积最多，最小面积方案效率最低但开关频率最高，本设计选择中间方案。

2.2.2 Buck变换器电感的选择

电感在开关电源中担任储能元件的角色，选择Buck变换器电感的主要依据是变换器输出电流的大小。充电时电感将电流转换为电磁能，放电时将电磁能转换为电流，升高开关频率可以有效地降低电感的体积，但开关频率又不能太高否则电感磁芯的高频损耗将增大。从上面的3个方案中得到的3种不同型号的电感如表2所示。

从对比中可以看出，最高效率方案电感的直流电阻最小，功率损耗也最小，但因开关频率低导致电感占用面积最大，成本也最高，最小面积方案直流电阻稍大但电感量较低。本设计选择型号为：SRR1260-180M的电感，面积、直流电阻、电感值和功率损耗等参数较适中。

2.2.3 Buck变换器MOS管的选择

MOS管在开关电源中是作为电子开关使用的，工作中导通和截止状态交替进行。MOS管不是理想的开关，关断和导通是需要时间的，即存在开关损耗，开关频率越高，MOS管的开关损耗越大。

如表3所示，最高效率方案中开关频率最小，导通电阳最小，通流能力最强，但成本最大。本设计折中选择型号为型号CSD17507Q5A的MOS管，降低成本。

3 仿真与测试

选择好芯片的外围元件后，运用WEBENCH软件对LM3150 Buck型开关电源电路进行仿真与测试，电压、电流的输出波形如图5、6所示，输出效率随电流及输入电压Vin的变化如图7所示，开关电源总损耗随输入电压的变化如图8所示。从图中可看出电源效率随输入电压增加总体下降，总体损耗随输入电压增加总体在上升。

测试及仿真结果表明，基于LM3150设计的Buck型开关电源电路能够得到稳定的3.3 V电压，输出电流2 A，电源效率可以达到93%以上。

4 结论

本文研究了降压型变换器（Buck）的工作原理，借助于TI的WEBENCH电源设计工具完成基于LM3150设计的Buck型开关电源电路的外围元件的参数选择，实现效率、成本、面积和开关频率的优化选择。通过仿真表明该电源转换效率高、带负载能力强，可以广泛应用于便携设备中。

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