1、基于 lm5116 的工業級電源模塊設計design of industrial power supply module based on lm5116俞利明陳宇曾逢春（浙江中控技術股份有限公司，浙江 杭州 310053）摘 要介紹了一種支持冗余熱插拔的機籠 機架級 24v 轉 5v 電源模塊的實現方案。 在該方案中采用自動主從均流的電路設 計方式，利用 lm5116 作為電源管理的主控制芯片，使電源模塊具備高效率、低發熱等優點，從而可以滿足在 dcs 系統中20 多個 i o 模塊的供電需求。 利用具有寬電壓輸入特性的同步降壓控制器 lm5116，有效地防止工業現場由于外部供電 的不穩定給

2、dcs 系統帶來的停車沖擊。關鍵詞：dc dc，lm5116 芯片，自動主從均流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

3、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 da

4、mage of shutdown caused by the unsteady external power supply in the industrial fieldkeywords:dc dc,lm5116 chip,automatic masterslave current sharing集散控制系統（dcs）作為工業自動化的核心設備 ， 在流程工業中已大量應用。 dcs 的供電體系以 5v dc 和 24v dc 為 主體，在早期系統中有 5v 的 ac dc 電源和 24v 的 ac dc 電 源，現在不少系統中取消了 5v 的 ac dc 電源，其原因是 dcs 機柜中電源線通過

5、多個接插件串聯， 壓降損耗較大，5v 電壓從 電源輸出經過多組接插件后到 i o 模塊內，要產生 03v 左右的 壓降。 因此，很多新一代的 dcs 系統， 整個系統電源只有 24v dc 供電，在機籠或機架上通過 24v dc 5v dc 的電源模塊實 現 5v 電壓。本文介紹了一款應用于機籠或機架級 24v 轉 5v 直流電源 模塊的實現方案，其關鍵設計指標為：輸入端采用兩路 24v dc 冗余供電，模塊輸出端實現單路輸出，在輸出端串入逆止二極管。 應用在 dcs 機籠中實現冗余供電 時，配置的兩路電源模塊實現“自動主從均流法”的并聯方式：在兩個并聯的電源模塊中， 只有輸出電壓最高的那個模

6、塊 的電流才能使與它連接的逆止二極管導通， 從而均流總線電壓 就等于該模塊的輸出電壓。最大輸出電壓的電源模塊是隨機的，該模塊處于主控狀態， 其他電壓比之低的處于被控狀態， 只有當最大輸出電壓的電源 模塊的電壓被拉低或該模塊故障，其他模塊才參與工作。11 dc dc 控制芯片選型由于電源模塊有大電流、高效率、過流保護等要求 ， 因此我 們選擇了 lm5116 作為電源管理芯片。 lm5116 是美國國家半 導體公司推出業界首款 6v 至 100v 的電流模式降壓控制器，適 用于直流 直流電源供應系統。lm5116 芯片最適用于高電壓或輸入供電電壓范圍較廣的 降壓穩壓系統。 其中采用的電流模式控制

7、技術是一種模擬電流 模式（ecm）的控制技術，其優點是可以減少噪聲對脈沖寬度調 制電路的干擾， 且確保必須以極小占空比操作的高輸入電壓系 統能夠穩定控制其占空比。 此外，這款芯片還具有過熱停機、可 編程軟啟動、 頻率同步、 每周期限流以及可調節線路欠壓鎖定（uvlo）等功能。12 詳細方案設計電源模塊采用 lm5116 為主控制芯片， 以 lm5116 為同步 降壓控制器，輸入電壓范圍為 6v dc100v dc，在本設計中輸 入電壓控制在 15v dc40v dc。 lm5116 通過一個自適應停 機控制來驅動外部高邊和低邊 n 溝道 mos 電源開關， 采用功 率加強式 tssop20 封

8、裝，特點是具有外露的電路片貼合墊以 幫助散熱。 主電路包括輸入電源處理、緩啟動、斜坡補償、開關頻 率設置、過流保護、buck 拓撲及輸出反饋處理等功能。圖 4 中 u1 為電源電路主控芯片 lm5116。1 電源模塊設計電源模塊在 dcs 中非常關鍵， 必須具備冗余及熱插拔要 求，并能提供必要的電壓質量報警功能。圖 1 電源模塊結構框圖電源模塊在單板上實現非隔離 24v 轉 5v 功能， 模塊電源電容，通過改變該電容的容值可以調節斜坡補償電路的補償性能。（6）開關頻率設置r5 和 r6 為 u1 的開關頻率設置電阻， 因此電源模塊的開1關頻率 f。（r5r6）284pf450ns（7）u1 基

9、本電路c8 為 u1 的 vcc 濾波電容。d2 為通過 vcc 給 u1 的內部 驅動 hb 供電以選擇電流仿真模式。 c7 為自舉電容。（8）過流保護設置r7 為輸出端過流取樣電阻， 過流取樣電阻采用 tcr 低的 精密金屬板材電阻。 取過流保護電流點為 4a，則有：vcs（th）r7。vout（1 vout ）io2lfvinmin圖 2 lm5116 邏輯電路（9）buck 的同步整流拓撲q1 為高邊 mos 管，q2 為低邊 mos 管，由高、邊 mos 管13 電路說明實現同步整流。 l1 為輸出電感，輸出電感的取值公式為 l voutipp f（1 vout ）575v（1 57

10、5 ）。vin max044a250khz26（10）輸出反饋r9、r10 和 r11 為輸出取樣電阻，取樣點連接 u1 的 fb，實 現輸出閉環控制。 fb 處比較電壓為 1215v，則輸出電壓將被穩圖 3 設計電路 （r9r10r11 ）壓為 uout 1215。r11設計中電阻均采用1精度的精密電阻。 若各取樣電阻無誤差，則 vout 將被穩壓在 575v；若各取樣電阻均在誤差極限，則 vout 將穩壓為最小 560v 或者最大 580v。 在各電阻的誤差范圍 內，dc dc 電源模塊輸出 560v dc580v dc （逆止二極管 的前端）。 根據實際測量的逆止二極管的壓降，dc dc

11、 模塊輸出 電壓經過逆止二極管后電壓范圍 520v dc560v dc。14 關鍵器件選擇1）同步整流高、低邊 mos 管。 高 低邊 mos 管均選用 ir 的 irf7855pbf，其導通電阻小于 10m，最大電流 12a，開關頻 率最大 40mhz。 本設計中開關頻率 250khz，最大輸出電流 4a， 完全滿足本 dc dc 電源的設計。2）功率電感。 功率電感是整個模塊最大的發熱源，工作溫度 范圍須滿足40c125c， 本設計要求其電感量要在 10h 左右。 根據以上要求本設計采用了 pulse 品牌的功率電感，其電圖 4 主體電路整個電路分為以下幾種子電路：（1）輸入濾波處理c1、

12、c2 為 u1 輸入端濾波電容。（2）u1 的使能設置r1 為 u1 的 使 能 電 阻 ，u1 的 ren 端 電 壓 通 常 為 33v 以 上，當 ren 上電流小于 10a 時，u1 關閉輸出。（3）uvlor2 和 r3 為 u1 的輸入低壓檢測電路， 連接 u1 的 uvlo。uvlo 處比較電壓為 1215v，設計中取 r2120k，r310k，當輸 （r2r3）入電壓低于 uin （4）緩啟動1215 時，電源模塊關斷輸出。r3c3 為 u1 的緩啟動電容，通過該電容設置電源的緩啟動時間，取緩啟動時間為 12ms， 則有緩啟動電容 c3 10a tss1215v10a12ms。

13、1215v（5）斜坡補償c4、c5 和 r4 為 u1 的 rc 斜坡補償電路。 c6 為斜坡發生器圖 5 振蕩頻率 255k，紋波為 56mv（下轉第 16 頁）令，由 bas 啟動消防聯動設備。 單輸入模塊 cc1 接車控室綜合后備盤（integrated backup panel，ibp），緊急情況下也可通過 設在車控室的 ibp 盤直接控制現場與消防相關的設備。火災主要靠智能光電感煙探測器和智能感溫探測器檢測區 域環境參數產生報警信號， 氣體控制主機 a、b、c 負責檢測車站 重點區域的火災信號以及氣體自動 手動滅火。 電氣火災報警主 機主要通過線型光纖電氣火災探測器，檢測重要電氣設備

14、接線端 子的溫度和低壓母線的溫度，實現對電氣設備溫度預警、報警。探測器平時只需向控制器傳送正常信號或故障信號， 火災 時探測器以中斷方式向控制器傳送采集處理后的信息數據 ， 由 控制器進一步的分析判斷2。 由于數據傳輸不再受巡檢周期的 限制，擺脫了傳統巡檢技術通訊的弊端，大大縮減了火災報警和 啟動消防設備所需的時間。 而火災報警控制器由于免去了大量 的現場信號處理負擔， 可以方便地實現多種管理功能， 從根本 上，提高了系統的穩定性和可靠性。火災報警控制器采用 est3，est3 系列是聯合技術消防公 司（utcfs）是迄今為止最先進、最靈活的綜合安全系統。 其本身 提供 rs232 和 rs4

15、85 兩種通訊接口。 rs232 提供網絡與外部 計算機或打印機的通訊接口， 而 bas 的 plc 正是利用這一接 口 和 fas 相 連 ；rs485 提供各節點機連接成 為帶有優先權的 token ring 網絡的通訊接口 ，fas 利 用 這 一 接 口 在 設 置 為 圖形終端下和 est3 系統相連。當發生火災時，將控制 uo tvf 風機動作。 例如，當下行發 生火災時：uo 風機軌頂排煙； 上行隧道風機 tvf 關閉， 新風閥 打開， 自然補風； 下行隧道風機 tvf 啟 動 ， 新 風 閥 打 開 ， 高 速 排 風；a 端站廳送風，機械補風；b 端站廳送風，機械補風。作為控

16、制系統必須考慮系統的響應時間問題， 可以肯定地 說，火災報警工業領域內一直在不斷追求縮短系統響應時間。 實 際工程證明采取該方案時： fas 回路平均響應時間075s，控 制命令下發時間1s，單體電動風閥全行程時間20s， 單體組 合風閥全行程時間30s，滿足地鐵設計要求。3 實現消防聯動控制流程實現消防聯動控制的流程如下： 系統自檢判斷是否有火 災信號；接受到各種探測器（包括感溫光纖 、 重要電氣設備接 線端子的溫度檢測和低壓母線的溫度檢測）有效的報警信息； 模式優先權以及沖突判斷。 設備（風機、電梯等）在不同的工況下 動作不相同，所謂的“模式”就是各種設備在特定工況下不同運 行狀態的組合。

17、 不同模式優先權不相同，火災模式具有最高優先權； bas 根據火災發生的部位和具體位置發布控制命令 ，切除非消防電源，啟動聯動模式，在操作站人機界面彈出一個報警 窗口同時在人機界面上自動顯示水災發生地點。 對事發點采取 有效的通風、排煙措施，以誘導乘客安全撤離火場及消防人員進 行滅火工作。 詳細流程如圖 3 所示：圖 3消防聯動流程圖結束語方案經過實際工程和實際運行的檢驗, 在消防驗收中取得 的成果取得人們的認可。 通過在深圳地鐵工程運行檢驗，證明了 該系統的穩定性，可維護性。4參考文獻1地鐵設計規范（gb501572003）北京：中國計劃出版社m20032林菁，王驥，等智能建筑火災自動報警與

18、消防聯動系統研究 j 建 筑科學，2008（7）3王迪軍，羅燕萍，李梅玲地鐵隧道火災人員疏散與煙氣控制 j 消 防科學與技術，2004（4）4沈友弟地鐵的消防安全問題及其對策j消防科學與技術，2006（2）5消防聯動控制設備通用技術條件（gb168061997）m北京：中國 標準出版社，19976火災自動報警系統施工及驗收規范（gb5016692）m北京：中國 計劃出版社，20087王坐中地鐵消防聯動控制決策研究d上海：同濟大學，2007收稿日期：20121025結束語本設計所描述的電源模塊效率高、發熱量小，在 dcs 或 plc 系統中，可以滿足 20 個以上的 i o 模塊的供電需求。 電源管理芯 片 lm5116 的寬電壓輸入