今天和大家分享一下自己设计的一款低压直流伺服驱动器的电源设计,采用了TI的宽输入电压范围(7.5V至100V)DCDC芯片LM5017和升压芯片LM2731,价格实惠,且供货稳定,对于低压直流伺服的成本控制有极大好处。


首先讲下我的设计思路,我设计的电源部分主要有12V,5V和3.3V三种电源,分别给MOS驱动,电机反馈电路以及MCU等器件供电,自己大致估算了下各个电源所需功耗如下:12V驱动电路最大不超过50mA,5V输出给反馈供电不超过200mA;同时5V经过LDO转为3.3V给MCU以及其他电路供电,所需电流不超过80mA.所以整个驱动器总消耗功率为:


12*0.05+5*(0.2+0.08)=2W,考虑电源转换效率假设为70%,设计的电源输出功率应为:2/0.7=2.857W.


由于低压直流伺服驱动器输入电源需要兼容12V,24V,48V,72V等不同电源,因此需要选用输入范围比较宽的芯片,LM5017输入范围满足该设计需求,可调输出5V电压,输出电流可达600mA,输出功率大于2.875W,满足使用要求。然后5V电压一路通过AMS1117-3.3稳压芯片转换成3.3V电压,另外一路通过升压芯片LM2731转换成12V电压驱动MOS管。下面简单介绍下这两款DCDC芯片用法。

 

LM5017芯片资料介绍,芯片集成了100V高侧和低侧MOS开关,外部无需肖特基二极管,FB脚为1.225V的基准电压,2%的反馈基准电压精度,开关频率可调至1MHz,可调低压闭锁保护,具有远程关断和热关断功能。

 

芯片引脚介绍,2脚是电源输入引脚,3脚为电源电压检测,一般通过两个电阻分压接入,如果电源电压经过电阻分压接入3脚的电压大于1.225V,则芯片开启工作,如果该脚输入电压低于0.66V时,芯片处于关闭模式。RON引脚接电阻到电源输入端,该电阻阻值决定了芯片开启时间,建议值为100ns。VCC为芯片内部输出电源,一般为7.6V,用于驱动外部MOS管所需。BST和SW脚之间外接0.01uF陶瓷电容,它由VCC通过内部二极管充电的,具体可以看芯片内部框图。

 

 



芯片内部框图


主要参数介绍,通过该表格我们清楚了解到该芯片输出电流限制值,欠压输入锁定值,内部VCC调压器输出值等参数,为我们设计提供重要参考。

 


电路设计原理

 

 

主要元件选型及计算,通过R20,R21,C219组成反馈电路得出输出电压为:
VO=1.225*(3.3+1)/1≈5.3V

 

输入电压最低为:
Vin=1.225*(100+10)/10≈13.5V

 

开关频率为:
Fsw=5.3/(0.499*0.00009)≈118KHz

要求在最大输入电压95V下电感输出最大电流纹波=0.4*Iout=0.24A

则电感选择:L=(95-5.3)*5.3/95/118/0.24≈180uH

要求输入电压变化范围为50-45=5,输入电容选择:C=1/4/118/5≈0.47uF

要求输出电压纹波为10mV,则输出电容选择:C=0.24/8/118/0.01≈27uF,为了进一步减少电压纹波可以适当加大输出电容。

 

由R301,C224,C225组成III型纹波电路,更好的降低电路输出纹波,使后面的电路工作更加稳定可靠。

 

LM2731芯片资料介绍,由于MOS管驱动所需电流不大,这里采用升压芯片将5V升至12左右去驱动,且该芯片体积小,所需外围器件也少,成本也低,这对于低压直流伺服驱动器成本设计和空间尺寸设计都有很大帮助;另外一个好处就是,如果产品所要求输出的5V功率不够,可以直接更换LM5017芯片即可,而升压这部分电路可以保持不变的,何乐而不为呢。

 

该芯片内部集成MOS管,开关频率有两种:1.6MHz和0.6MHz,可以通过外部管脚配置,输入电压2.7V到14V,输出可以最大可以到20V,开关电流高达1.8A。

 

芯片引脚介绍,FB脚基准电压为1.23V,VIN为电源输入脚,设计的输入为5V电压,SHDN脚为低电平关闭,设计接一个电阻到电源端,SW脚为开关输出脚,通过芯片内部框图可知该脚为开漏输出,外部电感一端接电源,另一端接该脚,存储能量,电压才能上去。

 


芯片内部框图

 

主要参数介绍,通过下面参数表我们可以知道芯片的输入电压范围,输出电压,静态工作电流,开关电流限制以及开关频率等参数,这些对我们设计电路很有帮助,需要仔细了解并掌握。

 

 

 


电路设计原理

 

 

主要元件选型及计算,通过R275,R276,C211组成反馈电路得出输出电压为:VO=1.23*(120+12)/12≈13.5V

 

虽然芯片内部有补偿,但是C211也不可缺少,有助于稳定电压输出。

 

该电容选择:C=1/2/3.14/120/6≈220pF

 

选择的芯片为后缀带X,则开关频率为1.6MHz

 

输入电容常用2.2uF,而输出电容常用为10uF,可根据实际应用负载以及纹波要求情况适当加大输出电容。

 

D19选择反向耐压大于20V的肖特基二极管,正向平均电流需要大于0.5A为好。

 

以上设计及观点纯属个人,该电路已经成功应用于实际产品中,得到广大客户的一致好评,大家有什么意见,欢迎一起讨论讨论。