基于LM5116的工业级电源模块设计

基于 LM5116 的工业级电源模块设计Design of Industrial Power Supply Module Based on LM5116俞利明陈宇曾逢春（浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州 310053）摘 要介绍了一种支持冗余热插拔的机笼 机架级 24V 转 5V 电源模块的实现方案。 在该方案中采用自动主从均流的电路设 计方式，利用 LM5116 作为电源管理的主控制芯片，使电源模块具备高效率、低发热等优点，从而可以满足在 DCS 系统中20 多个 I O 模块的供电需求。 利用具有宽电压输入特性的同步降压控制器 LM5116，有效地防止工业现场由于外部供电 的不稳定给 DCS 系统带来的停车冲击。关键词：DC DC，LM5116 芯片，自动主从均流AbstractThis paper introduces a scheme for cage rack level power supply module which turn DC 24V to DC 5V and supports redundant hot swappingIt applies circuit design of automatic masterslave current sharing and takes LM5116 as the main control chip for power management Thus the power supply module is endowed with high efficiency and low fever to meet the power supply demand of more than 20 I O modules in DCS systemIt uses the synchronous step down controller LM5116 with wide voltage input characteristics to effectively prevent the DCS system from the damage of shutdown caused by the unsteady external power supply in the industrial fieldKeywords:DC DC,LM5116 Chip,automatic masterslave current sharing集散控制系统（DCS）作为工业自动化的核心设备 ， 在流程工业中已大量应用。 DCS 的供电体系以 5V DC 和 24V DC 为 主体，在早期系统中有 5V 的 AC DC 电源和 24V 的 AC DC 电 源，现在不少系统中取消了 5V 的 AC DC 电源，其原因是 DCS 机柜中电源线通过多个接插件串联， 压降损耗较大，5V 电压从 电源输出经过多组接插件后到 I O 模块内，要产生 03V 左右的 压降。 因此，很多新一代的 DCS 系统， 整个系统电源只有 24V DC 供电，在机笼或机架上通过 24V DC 5V DC 的电源模块实 现 5V 电压。本文介绍了一款应用于机笼或机架级 24V 转 5V 直流电源 模块的实现方案，其关键设计指标为：输入端采用两路 24V DC 冗余供电，模块输出端实现单路输出，在输出端串入逆止二极管。 应用在 DCS 机笼中实现冗余供电 时，配置的两路电源模块实现“自动主从均流法”的并联方式：在两个并联的电源模块中， 只有输出电压最高的那个模块 的电流才能使与它连接的逆止二极管导通， 从而均流总线电压 就等于该模块的输出电压。最大输出电压的电源模块是随机的，该模块处于主控状态， 其他电压比之低的处于被控状态， 只有当最大输出电压的电源 模块的电压被拉低或该模块故障，其他模块才参与工作。11 DC DC 控制芯片选型由于电源模块有大电流、高效率、过流保护等要求 ， 因此我 们选择了 LM5116 作为电源管理芯片。 LM5116 是美国国家半 导体公司推出业界首款 6V 至 100V 的电流模式降压控制器，适 用于直流 直流电源供应系统。LM5116 芯片最适用于高电压或输入供电电压范围较广的 降压稳压系统。 其中采用的电流模式控制技术是一种模拟电流 模式（ECM）的控制技术，其优点是可以减少噪声对脉冲宽度调 制电路的干扰， 且确保必须以极小占空比操作的高输入电压系 统能够稳定控制其占空比。 此外，这款芯片还具有过热停机、可 编程软启动、 频率同步、 每周期限流以及可调节线路欠压锁定（UVLO）等功能。12 详细方案设计电源模块采用 LM5116 为主控制芯片， 以 LM5116 为同步 降压控制器，输入电压范围为 6V DC100V DC，在本设计中输 入电压控制在 15V DC40V DC。 LM5116 通过一个自适应停 机控制来驱动外部高边和低边 N 沟道 MOS 电源开关， 采用功 率加强式 TSSOP20 封装，特点是具有外露的电路片贴合垫以 帮助散热。 主电路包括输入电源处理、缓启动、斜坡补偿、开关频 率设置、过流保护、BUCK 拓扑及输出反馈处理等功能。图 4 中 U1 为电源电路主控芯片 LM5116。1 电源模块设计电源模块在 DCS 中非常关键， 必须具备冗余及热插拔要 求，并能提供必要的电压质量报警功能。图 1 电源模块结构框图电源模块在单板上实现非隔离 24V 转 5V 功能， 模块电源电容，通过改变该电容的容值可以调节斜坡补偿电路的补偿性能。（6）开关频率设置R5 和 R6 为 U1 的开关频率设置电阻， 因此电源模块的开1关频率 f。（R5R6）284pF450ns（7）U1 基本电路C8 为 U1 的 VCC 滤波电容。D2 为通过 VCC 给 U1 的内部 驱动 HB 供电以选择电流仿真模式。 C7 为自举电容。（8）过流保护设置R7 为输出端过流取样电阻， 过流取样电阻采用 TCR 低的 精密金属板材电阻。 取过流保护电流点为 4A，则有：VCS（TH）R7。Vout（1 Vout ）Io2LfVinmin图 2 LM5116 逻辑电路（9）BUCK 的同步整流拓扑Q1 为高边 MOS 管，Q2 为低边 MOS 管，由高、边 MOS 管13 电路说明实现同步整流。 L1 为输出电感，输出电感的取值公式为 L VOUTIPP f（1 VOUT ）575V（1 575 ）。VIN max044A250KHz26（10）输出反馈R9、R10 和 R11 为输出取样电阻，取样点连接 U1 的 FB，实 现输出闭环控制。 FB 处比较电压为 1215V，则输出电压将被稳图 3 设计电路 （R9R10R11 ）压为 UOUT 1215。R11设计中电阻均采用1精度的精密电阻。 若各取样电阻无误差，则 Vout 将被稳压在 575V；若各取样电阻均在误差极限，则 Vout 将稳压为最小 560V 或者最大 580V。 在各电阻的误差范围 内，DC DC 电源模块输出 560V DC580V DC （逆止二极管 的前端）。 根据实际测量的逆止二极管的压降，DC DC 模块输出 电压经过逆止二极管后电压范围 520V DC560V DC。14 关键器件选择1）同步整流高、低边 MOS 管。 高 低边 MOS 管均选用 IR 的 IRF7855PbF，其导通电阻小于 10m，最大电流 12A，开关频 率最大 40MHz。 本设计中开关频率 250KHz，最大输出电流 4A， 完全满足本 DC DC 电源的设计。2）功率电感。 功率电感是整个模块最大的发热源，工作温度 范围须满足40C125C， 本设计要求其电感量要在 10H 左右。 根据以上要求本设计采用了 Pulse 品牌的功率电感，其电图 4 主体电路整个电路分为以下几种子电路：（1）输入滤波处理C1、C2 为 U1 输入端滤波电容。（2）U1 的使能设置R1 为 U1 的 使 能 电 阻 ，U1 的 REN 端 电 压 通 常 为 33V 以 上，当 REN 上电流小于 10A 时，U1 关闭输出。（3）UVLOR2 和 R3 为 U1 的输入低压检测电路， 连接 U1 的 UVLO。UVLO 处比较电压为 1215V，设计中取 R2120K，R310K，当输 （R2R3）入电压低于 UIN （4）缓启动1215 时，电源模块关断输出。R3C3 为 U1 的缓启动电容，通过该电容设置电源的缓启动时间，取缓启动时间为 12ms， 则有缓启动电容 C3 10A tss1215V10A12ms。1215V（5）斜坡补偿C4、C5 和 R4 为 U1 的 RC 斜坡补偿电路。 C6 为斜坡发生器图 5 振荡频率 255K，纹波为 56mV（下转第 16 页）令，由 BAS 启动消防联动设备。 单输入模块 CC1 接车控室综合后备盘（Integrated Backup Panel，IBP），紧急情况下也可通过 设在车控室的 IBP 盘直接控制现场与消防相关的设备。火灾主要靠智能光电感烟探测器和智能感温探测器检测区 域环境参数产生报警信号， 气体控制主机 A、B、C 负责检测车站 重点区域的火灾信号以及气体自动 手动灭火。 电气火灾报警主 机主要通过线型光纤电气火灾探测器，检测重要电气设备接线端 子的温度和低压母线的温度，实现对电气设备温度预警、报警。探测器平时只需向控制器传送正常信号或故障信号， 火灾 时探测器以中断方式向控制器传送采集处理后的信息数据 ， 由 控制器进一步的分析判断2。 由于数据传输不再受巡检周期的 限制，摆脱了传统巡检技术通讯的弊端，大大缩减了火灾报警和 启动消防设备所需的时间。 而火灾报警控制器由于免去了大量 的现场信号处理负担， 可以方便地实现多种管理功能， 从根本 上，提高了系统的稳定性和可靠性。火灾报警控制器采用 EST3，EST3 系列是联合技术消防公 司（UTCFS）是迄今为止最先进、最灵活的综合安全系统。 其本身 提供 RS232 和 RS485 两种通讯接口。 RS232 提供网络与外部 计算机或打印机的通讯接口， 而 BAS 的 PLC 正是利用这一接 口 和 FAS 相 连 ；RS485 提供各节点机连接成 为带有优先权的 TOKEN RING 网络的通讯接口 ，FAS 利 用 这 一 接 口 在 设 置 为 图形终端下和 EST3 系统相连。当发生火灾时，将控制 UO TVF 风机动作。 例如，当下行发 生火灾时：UO 风机轨顶排烟； 上行隧道风机 TVF 关闭， 新风阀 打开， 自然补风； 下行隧道风机 TVF 启 动 ， 新 风 阀 打 开 ， 高 速 排 风；A 端站厅送风，机械补风；B 端站厅送风，机械补风。作为控制系统必须考虑系统的响应时间问题， 可以肯定地 说，火灾报警工业领域内一直在不断追求缩短系统响应时间。 实 际工程证明采取该方案时： FAS 回路平均响应时间075s，控 制命令下发时间1s，单体电动风阀全行程时间20s， 单体组 合风阀全行程时间30s，满足地铁设计要求。3 实现消防联动控制流程实现消防联动控制的流程如下： 系统自检判断是否有火 灾信号；接受到各种探测器（包括感温光纤 、 重要电气设备接 线端子的温度检测和低压母线的温度检测）有效的报警信息； 模式优先权以及冲突判断。 设备（风机、电梯等）在不同的工况下 动作不相同，所谓的“模式”就是各种设备在特定工况下不同运 行状态的组合。 不同模式优先权不相同，火灾模式具有最高优先权； BAS 根据火灾发生的部位和具体位置发布控制命令 ，切除非消防电源，启动联动模式，在操作站人机界面弹出一个报警 窗口同时在人机界面上自动显示水灾发生地点。 对事发点采取 有效的通风、排烟措施，以诱导乘客安全撤离火场及消防人员进 行灭火工作。 详细流程如图 3 所示：图 3消防联动流程图结束语方案经过实际工程和实际运行的检验, 在消防验收中取得 的成果取得人们的认可。 通过在深圳地铁工程运行检验，证明了 该系统的稳定性，可维护性。4参考文献1地铁设计规范（GB501572003）北京：中国计划出版社M20032林菁，王骥，等智能建筑火灾自动报警与消防联动系统研究 J 建 筑科学，2008（7）3王迪军，罗燕萍，李梅玲地铁隧道火灾人员疏散与烟气控制 J 消 防科学与技术，2004（4）4沈友弟地铁的消防安全问题及其对策J消防科学与技术，2006（2）5消防联动控制设备通用技术条件（GB168061997）M北京：中国 标准出版社，19976火灾自动报警系统施工及验收规范（GB5016692）M北京：中国 计划出版社，20087王坐中地铁消防联动控制决策研究D上海：同济大学，2007收稿日期：20121025结束语本设计所描述的电源模块效率高、发热量小，在 DCS 或 PLC 系统中，可以满足 20 个以上的 I O 模块的供电需求。 电源管理芯 片 LM5116 的宽电压输入特性，可有效地防止工业现场由于外部 供电的不稳定给 DCS 带来的停车冲击。 该电源模块已成功应用 于浙江中控的 JX300XP 系统中， 该型号 DCS 系统是当前中国 应用套数最多的 DCS。 本设计所描述的电源模块体积小， 器件 少，易于移植到其他领域的设备中，如电信的基站设备等。（上接第 14 页）感量为 10H，DCR 最大 10m， 电感饱和电流高达 126A， 完 全满足本 DC DC 电源的设计。实际测试情况：在电源模块输出 5A 的情况下，实际测试时电 感器件温升为 20C，当环境温度为 70C 时，电感壳温为 90C，考 虑机笼 10C 的温差，电感壳体温度为 100C。2 性能验证本电源模块完全符合工业级产品的设计要求， 产品中所有器 件达到工业级要求， 产品设计定型后关键性能指标达到或超过设 计输入要求。 输出电压：520V560V，输出电压纹波小于 100mV， 实际输出电流能力达到 4A，产品实际工作范围达到2585，2060负载下，效率达到85，连续带电插拔模块 100 次无 异常， 良好的热插拔能力和抗电压冲击功能。 配合 JX300XP DCS 系统，EMC 达到三级指标。3参考文献1王志强精通开关电源设计M北京：人民邮电出版社，20062 王 正 仕 ， 张 军 明 实用开关电源设计 M 北 京 ： 人民邮电出版社 ，2011收稿日期：2012117