徐志国
摘 要： Buck型DC?DC电源在现代便携式电子系统中应用广泛，研究了Buck型变换器的工作原理，介绍了采用LM3150为电源芯片的BucK型DC?DC电源的设计。借助于WEBENCH电源设计工具，选择了合适的元件参数，实现效率、成本、面积和开关频率的优化。通过仿真表明该电源稳定性好，转换效率高，可以广泛应用于便携设备中。
关键词： LM3150； DC?DC； Buck； 优化； 仿真
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0150?03
Design and simulation of a buck?type DC?DC power supply
XU Zhi?guo
（Jingling Institute of Technology， Nanjing 211169， China）
Abstract： Buck DC?DC power supply is widely used in modern portable electronic system. The working principle of Buck converter is studied. Design of Buck type DC?DC switching power supply with LM3150 as the power chip is introduced. With the help of WEBENCH power supply design tools， the parameters suitable for the components were chosen， and efficiency， cost， size and switching frequency were optimized. The simulation shows that the power supply has good stability， high conversion efficiency， and can be widely used in portable devices.
Keywords： LM3150； DC?DC； Buck； optimization； simulation
0 引 言
现代便携式电子系统中所用的芯片越来越多，各种各样的芯片需要提供多种类型的直流供电电压和电流。便携式系统的供电电源通常由电池提供，系统中多种芯片对电源的电压、电流以及性能要求不同，芯片的增加同时也引起系统功耗的增加，选择合适的芯片设计系统的DC?DC电源是电子系统设计中面临的重要问题。Buck型DC?DC电源电路是开关电源电路其中一种，属于降压型电路，其作用是以PWM技术为主，通过改变脉冲的占空比调节输出电压到额定值后输出给负载。借助TI的WEBENCH工具可以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实现外围器件参数的优化。
1 Buck型DC?DC电路原理
Buck型DC?DC开关电源电路的基本原理结构如图1所示。
Buck变换器主要包括：续流二极管D1，开关管M1，电感[L1，]电容[C1]和反馈环路。如图1所示，Buck变换器利用反馈环路进行闭环控制来实现输出电压稳定、满足性能指标的要求。具体的工作过程是：输出电压采样与电压基准送到误差放大器，其输出与调制波进行交截来控制占空比，经驱动电路输出来控制开关管M1的通断，从而控制输出电压的稳定，同时该电路还具有一定的抑制输入和负载扰动的能力。
2 LM3150简介
LM3150是一款适合便携式应用的降压型DC?DC转换器。6～42 V的宽工作输入电压范围，输出电压最低可调至0.6 V，可调节开关频率高达1 MHz。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采用eTSSOP?14封装，其内部结构如图2所示。
3 LM3150 Buck型DC?DC电源设计
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，而与这些参数紧密相关的因素主要是：开关频率、电感、MOS管损耗。WEBENCH Design Environments 是一款独特而强大的软件工具，能在很短的几秒内提供定时照明、电源、时钟、滤波等设计，WEBENCH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。借助于WEBENCH软件可以完成LM3150 Buck型DC?DC电源芯片外围电路的优化选择。
基于LM3150设计的Buck型DC?DC电源电路如图3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1 A，效率优化并可达到90%以上。
3.1 Buck变换器的效率
Buck变换器的转换效率主要和开关元件M1及二极管D1的功耗有关， M1和D1的功耗主要分为两部分：M1和D1处于稳定导通状态时正向导通压降产生的功耗即稳态功耗[PD；]M1在导通与截止状态转换时产生的功耗，称为瞬时功耗[PA。]在开关电源中开关管MOS管的开关损耗最大，假设[Ton=Toff=T1，]则一个周期内开关元件M1瞬时消耗的能量为：
[EA=20T1i（t）?v（t）dt=20T1IoTontVin1-tTondt=13VinIoT1] （1）
则一个周期内M1瞬时功耗为：
[PA=EAT=13TVinIoT1] （2）
因此， Buck变换器的效率为：
[ηA=PoPo+PD+PA=VoIoVoIo+1×Io+13TVinIoT1=VoVo+1+13TVinT1] （3）
从效率表达式可看出，Buck变换器的效率与开关的工作频率有关，开关频率越高，M1的瞬态功耗就越大，效率也就越低。同时，由于开关元件M1功耗增加，需要较大管芯面积来降低M1的工作温度。借助于WEBENCH电源设计工具可以对DC?DC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。
如表1所示，效率最高的方案的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，面积和效率均折中。
3.2 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。设Buck变换器的最大额定输出电流为[Iomax，]最小额定输出电流为[Iomin。]当Buck变换器工作在CCM模式（Continuous Conduction Mode，电感电流连续工作模式）时开关管的导通时间[Ton]为：
[Ton=VoVin1f] （4）
式中：[f]为开关频率。当输出电压[Vo，]输入电压[Vin]和开关频率[f]不变时，导通时间[Ton]保持不变。CCM模式时的最小输出电流为：
[Iomin=12Δi] （5）
又因为电感电流的增量为：
[ΔiL1=0TonVin-VoL1dt=Vin-VoL1Ton] （6）
联立式（4）～式（6）得Buck变换器电感值为：
[L1=Vin-Vo2Iomin?VoVin?1f=Vin-VoVo2IominVinf] （7）
由表达式可见Buck变换器的电感值和开关频率成反比，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。借助于WEBENCH电源设计工具得到与表1的三种方案对应的三种不同的电感，如表2所示。
由表1和表2的对比可得，最小面积方案的开关频率最高，因此得到的电感量较低，直流电阻也较小；最高效率方案的开关频率最低，因此电感值最大，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。本设计选择中间方案，开关频率为320 kHz，对应的电感值为18 μH，电感的直流电阻、面积和功率损耗等参数较适中。
4 仿真与测试
经过对比选择中间方案，运用WEBENCH软件对LM3150 Buck型DC?DC电路进行仿真，仿真图如图4所示。
电感损耗波形如图5所示，横向是输出电流，纵向是损耗功率，三种颜色表示不同的输入电压。电感是无源元件，功率电感一般是带磁性的线圈，因此电感存在电流损耗和磁损耗。磁损耗与开关频率有关，不随输入电压变化，线圈的电流损耗与电流成正比，因此图中电感损耗三条曲线重叠在一起。
输出效率随电流及输入电压[Vin]的变化如图6所示，图中[x]轴是输出电流，[y]轴是电源的总效率，图中3条曲线分别是10 V，12.5 V和15 V三个输入电压下的仿真结果。从图中可看出电源效率随输入电压增加总体下降。
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，满足系统的设计要求。
5 结 论
本文通过对Buck型DC?DC开关电源电路的基本原理的分析，借助于TI的WEBENCH电源设计工具完成基于LM3150 Buck型DC?DC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。
参考文献
[1] 胡国栋.德州仪器高性能模拟器件高校应用指南：信号链与电源[M].上海：德州仪器半导体技术（上海）有限公司，2013.
[2] 杨思捷.基于LM2575 降压型DC/DC 电源的设计[J].绵阳师范学院学报，2012，31（5）：28?31.
[3] 陈亚爱.开关变换器的实用仿真与测试技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[4] 林国汉.一种新型高效率BOOST变换器的设计[J].通信电源技术，2008，25（3）：39?41.
[5] 杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京：中国电力出版社，2007.
[6] 江超，闻长江，王雨曦，等.一种基于TL494 Boost型DC?DC电源设计[J].通信电源技术，2009，26（4）：39?41.
[7] 周习祥，杨赛良. Buck DC/DC变换器最优化设计[J].电子设计工程，2010（5）：168?171.
[8] 杨亚泽，余明杨.Buck变换器的建模和仿真研究[J].大众科技，2010（6）：37?38.
[9] 葛茂艳，谢利理，吴喜华.非理想Buck变换器的建模及仿真[J].计算机仿真，2010（4）：333?354.
[10] 朱念.Buck型直流变换器的研究及其仿真[J].中国西部科技，2009（29）：22?23.
因此， Buck变换器的效率为：
[ηA=PoPo+PD+PA=VoIoVoIo+1×Io+13TVinIoT1=VoVo+1+13TVinT1] （3）
从效率表达式可看出，Buck变换器的效率与开关的工作频率有关，开关频率越高，M1的瞬态功耗就越大，效率也就越低。同时，由于开关元件M1功耗增加，需要较大管芯面积来降低M1的工作温度。借助于WEBENCH电源设计工具可以对DC?DC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。
如表1所示，效率最高的方案的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，面积和效率均折中。
3.2 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。设Buck变换器的最大额定输出电流为[Iomax，]最小额定输出电流为[Iomin。]当Buck变换器工作在CCM模式（Continuous Conduction Mode，电感电流连续工作模式）时开关管的导通时间[Ton]为：
[Ton=VoVin1f] （4）
式中：[f]为开关频率。当输出电压[Vo，]输入电压[Vin]和开关频率[f]不变时，导通时间[Ton]保持不变。CCM模式时的最小输出电流为：
[Iomin=12Δi] （5）
又因为电感电流的增量为：
[ΔiL1=0TonVin-VoL1dt=Vin-VoL1Ton] （6）
联立式（4）～式（6）得Buck变换器电感值为：
[L1=Vin-Vo2Iomin?VoVin?1f=Vin-VoVo2IominVinf] （7）
由表达式可见Buck变换器的电感值和开关频率成反比，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。借助于WEBENCH电源设计工具得到与表1的三种方案对应的三种不同的电感，如表2所示。
由表1和表2的对比可得，最小面积方案的开关频率最高，因此得到的电感量较低，直流电阻也较小；最高效率方案的开关频率最低，因此电感值最大，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。本设计选择中间方案，开关频率为320 kHz，对应的电感值为18 μH，电感的直流电阻、面积和功率损耗等参数较适中。
4 仿真与测试
经过对比选择中间方案，运用WEBENCH软件对LM3150 Buck型DC?DC电路进行仿真，仿真图如图4所示。
电感损耗波形如图5所示，横向是输出电流，纵向是损耗功率，三种颜色表示不同的输入电压。电感是无源元件，功率电感一般是带磁性的线圈，因此电感存在电流损耗和磁损耗。磁损耗与开关频率有关，不随输入电压变化，线圈的电流损耗与电流成正比，因此图中电感损耗三条曲线重叠在一起。
输出效率随电流及输入电压[Vin]的变化如图6所示，图中[x]轴是输出电流，[y]轴是电源的总效率，图中3条曲线分别是10 V，12.5 V和15 V三个输入电压下的仿真结果。从图中可看出电源效率随输入电压增加总体下降。
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，满足系统的设计要求。
5 结 论
本文通过对Buck型DC?DC开关电源电路的基本原理的分析，借助于TI的WEBENCH电源设计工具完成基于LM3150 Buck型DC?DC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。
参考文献
[1] 胡国栋.德州仪器高性能模拟器件高校应用指南：信号链与电源[M].上海：德州仪器半导体技术（上海）有限公司，2013.
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[5] 杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京：中国电力出版社，2007.
[6] 江超，闻长江，王雨曦，等.一种基于TL494 Boost型DC?DC电源设计[J].通信电源技术，2009，26（4）：39?41.
[7] 周习祥，杨赛良. Buck DC/DC变换器最优化设计[J].电子设计工程，2010（5）：168?171.
[8] 杨亚泽，余明杨.Buck变换器的建模和仿真研究[J].大众科技，2010（6）：37?38.
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[10] 朱念.Buck型直流变换器的研究及其仿真[J].中国西部科技，2009（29）：22?23.
因此， Buck变换器的效率为：
[ηA=PoPo+PD+PA=VoIoVoIo+1×Io+13TVinIoT1=VoVo+1+13TVinT1] （3）
从效率表达式可看出，Buck变换器的效率与开关的工作频率有关，开关频率越高，M1的瞬态功耗就越大，效率也就越低。同时，由于开关元件M1功耗增加，需要较大管芯面积来降低M1的工作温度。借助于WEBENCH电源设计工具可以对DC?DC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。
如表1所示，效率最高的方案的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，面积和效率均折中。
3.2 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。设Buck变换器的最大额定输出电流为[Iomax，]最小额定输出电流为[Iomin。]当Buck变换器工作在CCM模式（Continuous Conduction Mode，电感电流连续工作模式）时开关管的导通时间[Ton]为：
[Ton=VoVin1f] （4）
式中：[f]为开关频率。当输出电压[Vo，]输入电压[Vin]和开关频率[f]不变时，导通时间[Ton]保持不变。CCM模式时的最小输出电流为：
[Iomin=12Δi] （5）
又因为电感电流的增量为：
[ΔiL1=0TonVin-VoL1dt=Vin-VoL1Ton] （6）
联立式（4）～式（6）得Buck变换器电感值为：
[L1=Vin-Vo2Iomin?VoVin?1f=Vin-VoVo2IominVinf] （7）
由表达式可见Buck变换器的电感值和开关频率成反比，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。借助于WEBENCH电源设计工具得到与表1的三种方案对应的三种不同的电感，如表2所示。
由表1和表2的对比可得，最小面积方案的开关频率最高，因此得到的电感量较低，直流电阻也较小；最高效率方案的开关频率最低，因此电感值最大，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。本设计选择中间方案，开关频率为320 kHz，对应的电感值为18 μH，电感的直流电阻、面积和功率损耗等参数较适中。
4 仿真与测试
经过对比选择中间方案，运用WEBENCH软件对LM3150 Buck型DC?DC电路进行仿真，仿真图如图4所示。
电感损耗波形如图5所示，横向是输出电流，纵向是损耗功率，三种颜色表示不同的输入电压。电感是无源元件，功率电感一般是带磁性的线圈，因此电感存在电流损耗和磁损耗。磁损耗与开关频率有关，不随输入电压变化，线圈的电流损耗与电流成正比，因此图中电感损耗三条曲线重叠在一起。
输出效率随电流及输入电压[Vin]的变化如图6所示，图中[x]轴是输出电流，[y]轴是电源的总效率，图中3条曲线分别是10 V，12.5 V和15 V三个输入电压下的仿真结果。从图中可看出电源效率随输入电压增加总体下降。
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，满足系统的设计要求。
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本文通过对Buck型DC?DC开关电源电路的基本原理的分析，借助于TI的WEBENCH电源设计工具完成基于LM3150 Buck型DC?DC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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[7] 周习祥，杨赛良. Buck DC/DC变换器最优化设计[J].电子设计工程，2010（5）：168?171.
[8] 杨亚泽，余明杨.Buck变换器的建模和仿真研究[J].大众科技，2010（6）：37?38.
[9] 葛茂艳，谢利理，吴喜华.非理想Buck变换器的建模及仿真[J].计算机仿真，2010（4）：333?354.
[10] 朱念.Buck型直流变换器的研究及其仿真[J].中国西部科技，2009（29）：22?23.
