ZHCABU7 November   2021 LM5157 , LM5157-Q1 , LM51571-Q1 , LM5158 , LM5158-Q1 , LM51581 , LM51581-Q1

 

  1.   如何使用 LM5157x、LM5158x 设计升压转换器
  2.   商标
  3. 1LM5157 升压设计示例
  4. 2计算和元件选型
    1. 2.1  开关频率
    2. 2.2  电感器计算
    3. 2.3  斜率补偿检查
    4. 2.4  电感器选型
    5. 2.5  二极管选型
    6. 2.6  输出电容器选型
    7. 2.7  输入电容器选择
    8. 2.8  UVLO 电阻选型
    9. 2.9  软启动电容器选型
    10. 2.10 反馈电阻器选择
    11. 2.11 控制环路补偿
      1. 2.11.1 交叉频率 (fcross) 选择
      2. 2.11.2 RCOMP 选择
      3. 2.11.3 CCOMP 选择
      4. 2.11.4 CHF 选型
    12. 2.12 功率损耗和效率估计
  5. 3实现结果
  6. 4小信号频率分析
    1. 4.1 升压稳压器调制器建模
    2. 4.2 补偿建模
    3. 4.3 开环建模

2.2 电感器计算

升压转换器的电感值可通过电感器电流纹波比（RR，定义为平均电感器电流范围内的峰峰值纹波电流）来计算。选择电感值时主要有三个考虑因素：功率损耗、电感器电流的下降斜率和控制环路的右半平面 (RHP) 零点频率 (ωZ_RHP)。

  • 随着电感值的增加，电感器的磁芯损耗和 RMS 电流会变小，但也要注意电感器的 DCR 可能会更高。
  • 电感值应足够大，以便电感器电流的下降斜率足够小，防止 LM5157x/LM5158x 的峰值电流模式控制中发生子谐波振荡。
  • 在升压转换器中，RHP 零点通常会设置设计的带宽限制。因此，RHP 零点频率应该足够高，以便实现更高的控制环路交叉频率。随着相对电感值减小，RHP 零点频率会增加。

最大纹波比介于 30% 至 70% 之间时，可在上述考虑因素之间实现良好的平衡。在本例中，电感器电流的最大纹波比设置为 60%。在连续导通模式 (CCM) 运行状态下，在占空比为 33% (DmaxΔIL=0.33) 时出现最大纹波比，Equation2 用于计算 33% 占空比下的电源电压。

Equation2. V SUPPLY _ max Δ IL = V LOAD ∙ 1 - D max Δ IL = 12 ∙ 1 - 0.33 = 8 V

其中

  • DmaxΔIL 是达到最大电感器纹波电流时的占空比

在已知 VSUPPLY_maxΔIL、所需纹波比和开关频率的情况下，Equation3 用于计算 1.6A 负载（VSUPPLY = 6V 至 9V）下的电感值。

Equation3. L M _ calc _ 1 = V SUPPLY I SUPPLY ∙ RR ∙ f sw ∙ D = 8 V 2.4 A ∙ 0.6 ∙ 2.1 MHz ∙ 0.33 = 0.88 μH

其中

  • D 是达到最大电感器纹波电流时的占空比
  • RR 是电感器电流纹波比

在 0.8A 负载情况下（VSUPPLY= 3V 至 6V），此时不产生 33% 占空比，使用最大电源电压（6V，占空比 = 0.5）计算最大纹波比。Equation4 用于计算电感器值。

Equation4. L M _ calc _ 2 = 6 V 1.6 A ∙ 0.6 ∙ 2.1 MHz ∙ 0.5 = 1.49 μH

为了满足两个区域的要求，选择了标准电感 1.5µH 作为 LM 的电感值。当电源电压处于最小值 VSUPPLY_min 和最大负载电流 ILOAD_max 时，会出现最大峰值电感器电流。峰值电感器电流通过Equation5 和Equation6 来计算。同样，两个区域分别计算，最大值是较大的区域。

Equation5. I L peak _ MAX _ 1 = V LOAD ∙ I OUT V SUPPLY ∙ η + 1 2 ∙ V SUPPLY ∙ D L M ∙ f sw = 12 V ∙ 1.6 A 6 V ∙ 0.9 + 1 2 ∙ 6 V ∙ 0.5 1.5 μH ∙ 2.1 MHz = 4.03 A
Equation6. I L peak _ MAX _ 2 = 12 V ∙ 0.8 A 3 V ∙ 0.9 + 1 2 ∙ 3 V ∙ 0.75 1.5 μH ∙ 2.1 MHz = 3.91 A

其中

  • η 是估计的效率。

峰值电感器电流用于在 LM5158、LM51581、LM5157和 LM51571 中正确选择器件。请参阅数据表以了解其电流限值。由于稳压器具有元件容差和功率损耗，在选择峰值电流限值时，应比计算的峰值电感器电流高出一些裕度。在本例中，使用了 15% 的裕度，选择了 LM5157 器件。