一种基于LM3150 Buck型开关电源设计方案

　　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。