基于LM27402的同步BUCK电路

基于 LM27402的同步 BUCK电路

王晨媛

乌海职业技术学院 单位邮编 016000

摘要：降压稳压电源作为电子产品的动力来源是很重要的，而电路方案的选择多种多样。本文主要介绍了一种实用性较强的高效率高性能的大电流降压稳压电路设计方案，输入电压在11V-13V，输出电压为5V，输出电流要求能够达到10A。输出电压纹波小于，输出电流纹波小于；预计效率达到90%。

关键词：降压稳压电源；LM27042控制器

1 引言

利用TI公司的LM27042高效同步整流降压控制器作为主控制器，采用同步整流BUCK的主电路拓扑，用功率MOS代替以前的二极管，大大提高系统的整体效率，利用电感电流检测技术和电压前馈技术，在保证了系统稳定的同时保证了系统的动态响应速度，设计了一个高效率高性能的大电流5V降压电路。电路图如下图所示：

系统的基本架构如下图所示：

2 理论分析

2.1 同步整流BUCK

同步整流BUCK变换器的结构跟普通BUCK的结构是相似的，因在实际应用中，BUCK电路中的二极管上面会有1V左右的压降，如果用于10A的大电流场合的话，则会产生较大的功率损耗，导致难以提高系统的整体效率。同步整流BUCK电路将BUCK电路中的二极管用功率MOSFET代替，利用MOSFET导通时的低压降和低通态阻抗，来降低原来二极管导通时的损耗从而提高系统的整体效率。

在电路稳定工作的状态下，一个周期里面电感电流的增量应该为0，则有 ，化简之后可以得到，同步整流BUCK电路的输入输出电压关系式，即 。这是在理想状态下推导出来的关系式，实际工作过程中，考虑到功率的损耗和效率的问题，实际公式应为： ，其中D为开关管工作时的占空比， 为系统工作时的效率。

2.2 系统频率的确定

系统工作需要有一个时钟作为基准，LM27042可以再芯片上的FADJ引脚接电阻到地来调整系统工作频率也可以通过SYNC脚外加时钟信号，其中外加时钟信号频率必须大于FADJ脚设置的时钟信号频率，FADJ脚可设置系统工作频率从200kHz到1.2MHz之间工作。方案中 ，由芯片技术手册里面给出的例子可得 ，计算得该系统工作频率为695.238kHz。

2.3 MOSFET驱动电路

系统有两个MOSFET的门极驱动电路。由电路特性可知，高侧MOS和低侧MOS的控制电平是刚好相反的，LM27402通过逻辑控制实现，并且在两个管子互相导通时存在死区时间，以防止两个管子共态导通导致电源短路。如果将PWM波直接加在替代二极管的MOSFET上的话，是可以实现开通关断的；但是，将系统的PWM波直接加到与电源电感相连的MOSFET上是不行的，必须因为只有栅 源之间的压差才能使MOSFET开通和关断。所以，如电路中所示，由一个二极管和电容组成自举电路，来保证高侧MOS和低侧MOS能够正常的开通关断。当低侧MOS导通时，SW引脚电位被拉低，电容端电压接近于电源电压；低侧MOS关断，而高侧MOS开通时，SW引脚电位被拉到电源电压，因为电容端电压不能突变，CBOOT引脚电压被上拉到供电电压+电源电压，然后电容开始放电，端电压下降；在端电压降到MOS的开启电压之前，低侧MOS开通，SW引脚电位再次被拉低，电容快速充电，CBOOT引脚电位被快速拉到供电电压，反复循环。

2.4 电感电流检测

电感电流的大小在系统中起着至关重要的作用，一方面是在电路启动或者受到干扰的情况下，我们不希望输出电流超过限定值损坏器件，另一方面，我们不希望同步整流BUCK电路工作在电流断续状态下，这样的话输出电压会被拉高，整体性能变差。LM27402采用了电感电流检测电路来检测电感电流，以作为系统逻辑控制的一个依据。

2.5 反馈网络的组建

LM27402是一种电压控制型的芯片，通过对输出电压的反馈来达到电压闭环的作用。输出电压，经过两个分压电阻与0.6V的基准电压进行比较，通过反馈网络的校正，产生一个误差电压，与如图所示的频率幅值固定的三角波进行比较，产生PWM波。最终输出电压的大小取决于基准电压的大小和分压电阻的比例关系。

2.6 电压前馈技术

相比于普通的电压控制反馈网络，LM27402采用了电压前馈技术使得系统对电源电压的扰动有了更快的响应。普通的电压控制负反馈系统，当系统输入电源有扰动的时候，PWM控制并不会马上做出反应，而是等到输出电压受到影响之后，经过反馈网络改变反馈网络的输出误差电压之后才去改变PWM占空比改变输出电压，这是造成系统响应比较慢的一个原因。而电压前馈技术将输入电压和用来产生PWM的三角波的幅值关联在一起。当输入电压由于某种扰动升高时，直接使得三角波的幅值变大，在输出电压还没有收到影响的时候，误差电压不变的情况下，减小开关管的占空比，从而抑制输入电压对输出电压的影响。这样就能够对输入电压的扰动做出最快的响应。

3 电路理论数值计算

3.1 系统频率计算

电路中 ，则由技术手册中所给的公式可得：

3.2 输出电压计算

3.3 理论占空比计算

3.4 输出电流纹波计算

3.5 输出电压纹波计算

。

3.6 功率级传输函数计算

按照选用的器件参数可得: ， ， ， ,等效负载电阻 ,则输出谐振频率为：

输出电容ESR产生的零点频率为：

3.7 补偿电路零极点计算

由电路中参数可知： ， ， , , ， ，代入上面的公式中可以得到：

；

；

。

4 频率特性仿真分析

不采用运算放大器补偿电路的原有系统功率级在59.08kHz的地方产生了谐振，有电容引起的ESR零点在846.5kHz的位置，低频段增益较低，谐振频率处相位下降快，高频段增益下降缓慢。系统的开环波特图如下：

给原系统加上补偿，我们将补偿回路的双零点放在功率级电感电容的谐振频率点上，补偿由谐振双极点产生的相位降落,并使得中频段斜率为

-20dB/dec；将第一个极点放在ESR零点的位置，以抵消ESR零点的作用。最后将第二个极点放在较远的位置，使高频段增益下降。从图上可以看到补偿回路零极点的位置 ， ， ，也可以读出功率级谐振频率为 ， ，与前面的理论分析值比较是相符合的。补偿后的波特图如下：

可以看到补偿之后的波特图性能变好，低频段增益变大，由于补偿回路原点出极点的作用低频段有了-20dB/dec的斜率；并且，应为补偿回路的双零点与功率级谐振双极点想抵消，增益曲线以-20dB/dec的斜率穿过0dB线，电压反馈补偿回路是可行的，闭环系统将会是稳定的，并且将会具有较好的稳定性和动态性能。

5 电气仿真分析

5.1 启动过程仿真

上图为启动过程中输出电压和输出电流的波形图。上电之后，系统并没有马上开启功率管工作，而是通过SSTRACK引脚上的电容对SSTRACK引脚进行充电，当SSTRACK引脚电压超过反馈电压的时候变为高电平。系统使能后，在输出电压和输出电流都会出现一个较小的脉冲。经过一段使能延迟时间之后，系统开始控制开关管进行工作，输出电压电路开始慢慢建立。这是LM27402的软启动技术，当系统的启动电流过大或者预偏置电压高于标称输出电压的时候，开关管不会开始工作，以防止意外出现。

5.2 输入扰动仿真

左图为输入电压所产生的两个阶跃扰动，一个是在短时间内从11V阶跃到13V,另一个是从13V阶跃到11V。右图为输出对输入阶跃扰动的响应波形。

在输入电压突然增大的时候，输出电压随之增大，但系统差不多在44us的时间内就能够通过电压的前馈和反馈快速的做出响应，产生的电压过冲也只是在0.25V左右。而对于电压突然下降的输入变化，输出电压则用了82.5us的时间将输出电压稳定下来，反向的电压过冲有将近0.5V左右，但都是在可接受的范围之内的。该系统不仅能够有稳定的输出，并且有较强的抗干扰能力，对于输入电压的阶跃扰动，系统能够快速的做出反应和调整，是输出电压稳定在目标值上，响应速度和对扰动的抑制能力都是符合要求的。

5.3 负载扰动仿真

左图为负载扰动的仿真波形图，负载电流从10A开始在某一时刻突然阶跃到1A，再从1A阶跃到10A。相当于等效负载电阻从 阶跃到 ，再从 阶跃到 。右图为输出电压，在负载扰动时的变化波形图。

当负载突然由重变轻之后，输出电压因为电路损耗减小的原因突然上升，根据波形的测量可以得到，输出电压上升了0.226V，但是由于反馈系统的作用，输出电压马上快速下降到平均电压，并有反向过冲的出现，反向过冲电压大致为0.154V。在出现反向过冲之后在很短的时间内就恢复到目标值，整个过程持续的时间为0.1ms，响应时间比较短。再观察当负载变重时的输出电压变化，当负载突然变重时，输出电压瞬间被下拉4.83V，然后通过反馈系统的作用，输出电压开始快速的上升，达到平均输出电压之后，出现了正向的电压过冲，电压达到5.22V，然后快速稳定下来。整个过程持续时间为0.09625ms。该系统对负载的变化有抗干扰的能力并有着较为快速的响应，符合预期目标。

作者简介：王晨媛 1994.8.21 女 汉族 内蒙古乌海市人，乌海职业技术学院 单位邮编016000 助教 大学本科学历，电气工程及其自动化方向