中心議題：

• 方案論證及設計
• 硬件電路設計
• 性能測試結(jié)果及分析

隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展,開關電源以其功耗小、體積小、重量輕等優(yōu)點得到了廣泛的應用。目前開關電源也正在朝著集成化與多功能化的方向發(fā)展。本文以大學生電子設計競賽為背景,介紹一種性價比高、功能較強的實用開關電源設計方案。

競賽內(nèi)容為設計具有單路恒壓輸出功能的開關電源,輸出電壓范圍為0 ~ 15 V,步進100 mV;輸出電流不小于1 A,紋波300 mV以下;調(diào)整過程用單片機完成,并提供數(shù)字顯示功能。擴展要求為：電源具有升壓功能：輸入為5 V,測量負載電流為1 A時的輸出電壓;具有延遲輸出功能,避免上電沖擊;具有掉電記憶功能,存儲上次設置的參數(shù)。

方案論證及設計

開關電源控制核心模塊,包括開關電源控制器和配套的必要外圍電路、反饋回路和繼電器切換電路。這一模塊的作用是完成開關電源最基本的功能,包括降壓、升壓和恒流等。其中開關電源控制器采用LM2576-ADJ,這是具有可調(diào)電壓輸出的開關電源控制芯片,內(nèi)置PWM控制電路和驅(qū)動管,性價比高。此芯片最大輸入電壓為37V,輸出通過反饋電阻分壓,可在1.25V~ 35V范圍內(nèi)調(diào)整,輸出電流可以達到3A,滿足題目設計要求。反饋回路中進行比較、差分放大的電路采用CMOS型集成運放TLC2262,具有功耗低、精度高、滿幅輸出范圍大、線性度好等特點,適合在本設計電路中應用。

單片機控制模塊,包括單片機和相應的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、繼電器切換控制模塊,以及人機交互接口。這一模塊的作用是通過單片機輸出的D/A 轉(zhuǎn)換信號和繼電器切換控制信號,對開關電源核心模塊進行控制,從而實現(xiàn)程序控制升壓、降壓和電路切換的功能。模塊中的單片機采用C8051F330D,為增強型51內(nèi)核單片機,集成了10位ADC和10位DAC,滿足設計精度需要。人機交互接口采用CH452L集成數(shù)碼管顯示和鍵盤控制器,完成數(shù)據(jù)顯示和鍵盤輸入的功能。擴展要求中的參數(shù)掉電記憶功能,由串行E2PROM芯片 AT24C08完成。

輔助電源模塊完成從220V到系統(tǒng)所需各路電源的變壓、整流、降壓等工作。輔助電源模塊通過整流提供兩路直流輸出,一路給開關電源的核心模塊提供輸出所需的足夠能量,另一路由LM2576和LM1117穩(wěn)壓給單片機和其他控制模塊提供控制需要的較低壓直流電。

以上描述的總體設計原理見圖1。

                                   
                                                            圖1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)和設計原理框圖

硬件電路設計

降壓型電路原理和設計

采用LM2576構(gòu)成的降壓電路如圖2所示,輸出電壓經(jīng)R1和R2分壓取樣后送到減法器的正輸入端,負端接VSET。VSET信號是單片機給出的電壓信號,輸出的取樣電壓減去D/A轉(zhuǎn)換電壓后得到誤差信號。再將誤差信號加上參考電壓(VREF)1.23V, 將此結(jié)果送到LM2576的反饋端。當輸出電壓因某種原因下降時,取樣電阻分壓下降,低于單片機D/A轉(zhuǎn)換信號給出的參考電壓,減法器輸出小于 1.23V,此信號送到LM2576反饋端后,開關信號的占空比增加,電感儲能增加,輸出電壓上升,最終使輸出電壓保持穩(wěn)定。此反饋回路的本質(zhì)仍然是負反饋,并且符合LM2576的使用要求。

                                
                                                                        圖2 降壓型（Buck）基本電路

相比于傳統(tǒng)的直接反饋,本設計中的反饋回路復雜度較高,這種設計主要是出于以下考慮：首先是便于單片機控制,只要改變D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓,則反饋回路起作用,自動將輸出取樣電壓向D/A轉(zhuǎn)換電壓靠近,完成電壓調(diào)整過程;其次,可以滿足設計要求中的零伏輸出。若單純用LM2576的反饋引腳,則手冊中給出的參考電路最低輸出只能達到1.25V,因此需要將反饋電壓“平移”一個VREF參考電壓的電平。最后是因為LM2576的反饋端是以1.23V為基準進行比較的：當反饋取樣電壓大于1.23V時,減小開關的占空比;大于1.23V時,增加占空比。一般的誤差電壓不會大于1V,因此需要將減法結(jié)果再向上 “平移”一個VREF的電平。

反饋電阻分壓得到的電壓還同時送到單片機的DAC,通過D/A轉(zhuǎn)換和尺度換算,得到輸出電壓值,作為數(shù)字量顯示輸出到數(shù)碼管上。

升壓型開關電源的原理
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圖3是升壓型開關電源的原理圖。由于存在電感,因此可以做到輸出電壓大于輸入電壓。開關管導通時,電流經(jīng)電感→開關管→接地,二極管截止;開關管截止時,電流被截斷,電感放出能量,這時電流經(jīng)二極管給電容充電并給負載提供電流,實現(xiàn)了升壓型電源。

                                
                                                                                      圖3 升壓型電路原理圖

LM2576在電路中所起的作用可以看作是PWM發(fā)生器和開關管的集成,因此,雖然LM2576通常用做降壓電路,但具有改造成為升壓電路的能力。

升降壓電路的切換

升壓電路和降壓電路的連接方式不同,因此無法在同一電路中同時實現(xiàn)升降壓。本文采取的辦法是用小型繼電器切換。通過受信號控制的切換,開關連接到不同的觸點,完成電路連接形式的切換。

切換電路如圖4所示,圖中四個開關分屬兩個不同的繼電器(雙刀雙擲)K4和K3,均受單片機控制。通過繼電器觸點切換,實現(xiàn)升壓和降壓作用。要說明的是,圖 4中沒有畫出反饋回路。反饋既可以采用經(jīng)典的取樣電壓直接反饋的辦法,也可以采用前邊說明的加入了減法器的改進反饋回路。在實際的電路設計中采用了帶減法器的電路。

恒流輸出電路設計

在上述功能基礎上,本設計進一步增加了恒流輸出功能,如圖5所示。將輸出電流在分流器上的壓降取出來,并加以放大,得到適當大小的直流電壓信號。此信號一方面送到單片機進行A/D轉(zhuǎn)換,一方面送到反饋回路減法器的輸入,并與D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓比較。當輸出電流增加時,放大器電壓增加,通過減法器與參考電壓比較后得到的反饋電壓增加,LM2576減少開關信號的占空比,電感中儲能減少,導致輸出電流下降,完成反饋過程。

                              
                                                         圖4 實現(xiàn)恒流輸出的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

通過單片機I/O引腳對繼電器的控制,實現(xiàn)反饋減法器輸入的選擇,從而實現(xiàn)電路恒壓/恒流的切換控制。

性能測試結(jié)果及分析

本系統(tǒng)的升、降壓性能及恒流輸出性能測試數(shù)據(jù)如表所示。

                           　　

由于調(diào)試測試時使用的直流穩(wěn)壓電源自帶的輸出電流測量功能精度較低,在小電流情況下測量顯示誤差較大,因此低電壓輸出的效率很有可能是不真實的,有待更精確的測試。

實際輸出電壓用萬用表測量,輸入電流采用HH1710測試,電壓紋波用示波器交流檔觀察。

其中輸入電壓根據(jù)變壓器次級線圈帶負載后實地測量,取21 VDC。

測試條件：負載10W,測試數(shù)據(jù)為負載電阻上電壓換算得出。

結(jié)語

經(jīng)過硬件電路設計分析、軟件流程分析和實際測試,本開關電源達到了設計要求并超出擴展要求的指標。如果對一些細節(jié)問題進一步改進,本電源還具有成為實用設備的潛力,例如增加一路輸出,或者增加正負雙電源同步可調(diào)等。