BUCK型双输出同步控制器LM5642的原理与应用
1 引言
AC／DC、DC／DC转换器负责系统电能转换和传送，其在系统中的角色相当于人体心脏，一旦出现问题，系统就会停止工作。通讯产品电源需要高可靠性。小型、轻量和高效率的电源应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源供电方式。
2 LM5642器件简介
图1为LM5642器件引脚配置，LM5642开关控制器有两种操作模式可供选择，除可提供两个电压输出外，也可利用双相位模式提供负载电流比双输出大1倍的单电压输出；该器件能以200 kHz的频率工作，其内含的两个控制器可在180°反相时继续工作；对于需利用该器件执行单输出稳压功能的高电流应用方案，此180°反相工作的功能可大幅减少输入滤波电容。LM5642的振荡器频率可在150～250 kHz内调节升压或降压，以确保可与系统同步操作，从而减少开关频率所造成的干扰。该器件内置的电流模式控制环路可在输入电压Vin为4．5～36 V宽范围变动，每一通道输出都可调整范围从1．3 V～90％Vin变动，其转换速度极高，效率更高达95％，适于为系统提供高电流、低电压电源的应用方案。
3 基于LM5642的双路输出大电流应用
图2为LM5642双输出电路原理图，其输入为15 V，输出分别为+5 V／7 A和3．3 V／7 A，以图2的通道1为例介绍该设计设计中所考虑的关键参数和外围器件选型。
3．1 门限电流确定
LM5642有两路电流门限设置引脚：引脚ILIM1和ILIM2(图2)。以引脚ILIM1为例，其器件内置恒定0． 99μA电流，并通过外部连接到Vin输入电阻R7转变为电压，该电压将和尺9的电压比较。R9与输入相连，是电流的主要通路，电流经R9进入功率场效应管。此处R8选择较小为100 Ω，忽略其分压。通过比较R7和R9的电压大小来确定电流是否合适，如果R7两端电压大于R9电压，器件正常工作，反之内部过流保护将关断。设计中通过比较电压合理设置R7的参数，而R9选取低阻值，一般为10 mΩ。
3．2 输出端电阻选择
根据实际输出电压要求，由式(1)、(2)计算相关电阻值，在图2中两路输出电阻分别为R13、R14、R23、R24。
考虑到输出电压的准确度，式(2)用来先确定R14的最大阻值，考虑输出电压具有3％的偏差，此处Vfb=1．238 V，最大流入反馈引脚FB1的电流为200 nA。
3．3 输出电感选择
电感由输出纹波电压确定，由式(3)计算电感值Lmin。
式中，f为器件的开关频率200 Hz，Vin为输入电压，Vo为输出电压，Vr为纹波电压，在电源设计中拟定为60 mV，Rc近似为输出电容等效阻抗，一般取20 mΩ。实际中还要考虑到纹波电流过高，在选取电感值时还要以纹波电流为依据。
此外还要考虑到输出电容的等效阻抗对输出纹波的影响，功率场效应管的选择和其功耗问题。在设计中，为减小纹波采用高电压大容量电容。同时兼顾选取低等效阻抗电容。电源设计中所用关键器件都采用工业级产品或军工产品，以保证电源的高效性。
因此功率场效应管的等效阻抗完全符合标准，二极管选择转换速度快的肖特基管，以适应LM5642开关频率200 Hz的快速转换速率。
4 基于LM5642的多路输出设计
开关电源的控制器种类非常多，主要有电流和电压两大类型。电压控制型只对输出电压采样，作为反馈信号闭环控制，采用PWM技术调节输出电压。从控制理论的角度看，这是一种单环控制系统；电流控制型是在电压控制型的基础上，增加一个电流负反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高电源性能。基于LM5642的诸多优点，充分利用该器件的单、双输出通道特性．与其他DC／DC转换器设计出多路输出电压为系统供电。电源输入来自车载蓄电池的电压28 V，可作为光通信系统电源，具体设计框图如图3所示。
电路板设计依据图3要求，器件采用国产的LM5642，LM2596，LM2679。其中用到两片LM5642，分别为U8和U6，分别输出15 V、+5 V／7 A和3．3 V／7 A；两片LM2679分别为U4和U5，分别输出+5 V／3．5 A和VDD。其中VDD为LM5642的VDD引脚供电；3片LM2596分别为U1、U2和U3，分别输出两个－5 V／1 A和+5V／3 A。
5 PCB布局
PCB板的物理设计是开关电源设计最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰(EMI)。结合LM5642的特点，与其他多种器件 (如LM2679)设计多输出电压源，PCB采用4层板布线，顶层和底层都放置元件，中间层分别为地层和大电流走线层，其中第2层为走线层，第3层为地层以保证高可靠性。对于+5 V／7 A和3．3 V／7 A大电流输出，布线主要是在第2层完成，线宽为200 mil。考虑到电磁干扰。适当加宽走线间距，输入输出采用钽电容和陶瓷电容相结合滤波(板子线宽按照1．5盎司厚度设计)。
6 结束语
由于电源设计是为系统提供电源，因此要全面考虑整个系统，电源板提供多路输出到各子板，规划布局时使各路输出都以地线为间隔。由于子板中有数字地的区分，为减小干扰．在各子板中同样采用DC／DC变换转接以降低数字与模拟信号干扰。考虑到系统性能，可采用输入与输出地隔离技术；而考虑到子板间传递高速信号，因此在电源板设计中并没有采用输入与输出隔离地，同样可使系统稳定，因此以统一地作为参考面。
AC／DC、DC／DC转换器负责系统电能转换和传送，其在系统中的角色相当于人体心脏，一旦出现问题，系统就会停止工作。通讯产品电源需要高可靠性。小型、轻量和高效率的电源应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源供电方式。
2 LM5642器件简介
图1为LM5642器件引脚配置，LM5642开关控制器有两种操作模式可供选择，除可提供两个电压输出外，也可利用双相位模式提供负载电流比双输出大1倍的单电压输出；该器件能以200 kHz的频率工作，其内含的两个控制器可在180°反相时继续工作；对于需利用该器件执行单输出稳压功能的高电流应用方案，此180°反相工作的功能可大幅减少输入滤波电容。LM5642的振荡器频率可在150～250 kHz内调节升压或降压，以确保可与系统同步操作，从而减少开关频率所造成的干扰。该器件内置的电流模式控制环路可在输入电压Vin为4．5～36 V宽范围变动，每一通道输出都可调整范围从1．3 V～90％Vin变动，其转换速度极高，效率更高达95％，适于为系统提供高电流、低电压电源的应用方案。
3 基于LM5642的双路输出大电流应用
图2为LM5642双输出电路原理图，其输入为15 V，输出分别为+5 V／7 A和3．3 V／7 A，以图2的通道1为例介绍该设计设计中所考虑的关键参数和外围器件选型。
3．1 门限电流确定
LM5642有两路电流门限设置引脚：引脚ILIM1和ILIM2(图2)。以引脚ILIM1为例，其器件内置恒定0． 99μA电流，并通过外部连接到Vin输入电阻R7转变为电压，该电压将和尺9的电压比较。R9与输入相连，是电流的主要通路，电流经R9进入功率场效应管。此处R8选择较小为100 Ω，忽略其分压。通过比较R7和R9的电压大小来确定电流是否合适，如果R7两端电压大于R9电压，器件正常工作，反之内部过流保护将关断。设计中通过比较电压合理设置R7的参数，而R9选取低阻值，一般为10 mΩ。
3．2 输出端电阻选择
根据实际输出电压要求，由式(1)、(2)计算相关电阻值，在图2中两路输出电阻分别为R13、R14、R23、R24。
考虑到输出电压的准确度，式(2)用来先确定R14的最大阻值，考虑输出电压具有3％的偏差，此处Vfb=1．238 V，最大流入反馈引脚FB1的电流为200 nA。
3．3 输出电感选择
电感由输出纹波电压确定，由式(3)计算电感值Lmin。
式中，f为器件的开关频率200 Hz，Vin为输入电压，Vo为输出电压，Vr为纹波电压，在电源设计中拟定为60 mV，Rc近似为输出电容等效阻抗，一般取20 mΩ。实际中还要考虑到纹波电流过高，在选取电感值时还要以纹波电流为依据。
此外还要考虑到输出电容的等效阻抗对输出纹波的影响，功率场效应管的选择和其功耗问题。在设计中，为减小纹波采用高电压大容量电容。同时兼顾选取低等效阻抗电容。电源设计中所用关键器件都采用工业级产品或军工产品，以保证电源的高效性。
因此功率场效应管的等效阻抗完全符合标准，二极管选择转换速度快的肖特基管，以适应LM5642开关频率200 Hz的快速转换速率。
4 基于LM5642的多路输出设计
开关电源的控制器种类非常多，主要有电流和电压两大类型。电压控制型只对输出电压采样，作为反馈信号闭环控制，采用PWM技术调节输出电压。从控制理论的角度看，这是一种单环控制系统；电流控制型是在电压控制型的基础上，增加一个电流负反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高电源性能。基于LM5642的诸多优点，充分利用该器件的单、双输出通道特性．与其他DC／DC转换器设计出多路输出电压为系统供电。电源输入来自车载蓄电池的电压28 V，可作为光通信系统电源，具体设计框图如图3所示。
电路板设计依据图3要求，器件采用国产的LM5642，LM2596，LM2679。其中用到两片LM5642，分别为U8和U6，分别输出15 V、+5 V／7 A和3．3 V／7 A；两片LM2679分别为U4和U5，分别输出+5 V／3．5 A和VDD。其中VDD为LM5642的VDD引脚供电；3片LM2596分别为U1、U2和U3，分别输出两个－5 V／1 A和+5V／3 A。
5 PCB布局
PCB板的物理设计是开关电源设计最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰(EMI)。结合LM5642的特点，与其他多种器件 (如LM2679)设计多输出电压源，PCB采用4层板布线，顶层和底层都放置元件，中间层分别为地层和大电流走线层，其中第2层为走线层，第3层为地层以保证高可靠性。对于+5 V／7 A和3．3 V／7 A大电流输出，布线主要是在第2层完成，线宽为200 mil。考虑到电磁干扰。适当加宽走线间距，输入输出采用钽电容和陶瓷电容相结合滤波(板子线宽按照1．5盎司厚度设计)。
6 结束语
由于电源设计是为系统提供电源，因此要全面考虑整个系统，电源板提供多路输出到各子板，规划布局时使各路输出都以地线为间隔。由于子板中有数字地的区分，为减小干扰．在各子板中同样采用DC／DC变换转接以降低数字与模拟信号干扰。考虑到系统性能，可采用输入与输出地隔离技术；而考虑到子板间传递高速信号，因此在电源板设计中并没有采用输入与输出隔离地，同样可使系统稳定，因此以统一地作为参考面。