中心議題：
- 方案論證及設(shè)計(jì)
- 硬件電路設(shè)計(jì)
- 性能測(cè)試結(jié)果及分析
隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源以其功耗小、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。目前開(kāi)關(guān)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(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景,介紹一種性價(jià)比高、功能較強(qiáng)的實(shí)用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。
競(jìng)賽內(nèi)容為設(shè)計(jì)具有單路恒壓輸出功能的開(kāi)關(guān)電源,輸出電壓范圍為0 ~ 15 V,步進(jìn)100 mV;輸出電流不小于1 A,紋波300 mV以下;調(diào)整過(guò)程用單片機(jī)完成,并提供數(shù)字顯示功能。擴(kuò)展要求為：電源具有升壓功能：輸入為5 V,測(cè)量負(fù)載電流為1 A時(shí)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(chǔ)上次設(shè)置的參數(shù)。
方案論證及設(shè)計(jì)
開(kāi)關(guān)電源控制核心模塊,包括開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源最基本的功能,包括降壓、升壓和恒流等。其中開(kāi)關(guān)電源控制器采用LM2576-ADJ,這是具有可調(diào)電壓輸出的開(kāi)關(guān)電源控制芯片,內(nèi)置PWM控制電路和驅(qū)動(dòng)管,性價(jià)比高。此芯片最大輸入電壓為37V,輸出通過(guò)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(dá)到3A,滿足題目設(shè)計(jì)要求。反饋回路中進(jìn)行比較、差分放大的電路采用CMOS型集成運(yùn)放TLC2262,具有功耗低、精度高、滿幅輸出范圍大、線性度好等特點(diǎn),適合在本設(shè)計(jì)電路中應(yīng)用。
單片機(jī)控制模塊,包括單片機(jī)和相應(yīng)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、繼電器切換控制模塊,以及人機(jī)交互接口。這一模塊的作用是通過(guò)單片機(jī)輸出的D/A 轉(zhuǎn)換信號(hào)和繼電器切換控制信號(hào),對(duì)開(kāi)關(guān)電源核心模塊進(jìn)行控制,從而實(shí)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(jī)采用C8051F330D,為增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī),集成了10位ADC和10位DAC,滿足設(shè)計(jì)精度需要。人機(jī)交互接口采用CH452L集成數(shù)碼管顯示和鍵盤(pán)控制器,完成數(shù)據(jù)顯示和鍵盤(pán)輸入的功能。擴(kuò)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(guò)整流提供兩路直流輸出,一路給開(kāi)關(guān)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(jī)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(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1。
圖1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理框圖
硬件電路設(shè)計(jì)
降壓型電路原理和設(shè)計(jì)
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(fù)端接VSET。VSET信號(hào)是單片機(jī)給出的電壓信號(hào),輸出的取樣電壓減去D/A轉(zhuǎn)換電壓后得到誤差信號(hào)。再將誤差信號(hào)加上參考電壓(VREF)1.23V, 將此結(jié)果送到LM2576的反饋端。當(dāng)輸出電壓因某種原因下降時(shí),取樣電阻分壓下降,低于單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)給出的參考電壓,減法器輸出小于 1.23V,此信號(hào)送到LM2576反饋端后,開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比增加,電感儲(chǔ)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(fù)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(shè)計(jì)中的反饋回路復(fù)雜度較高,這種設(shè)計(jì)主要是出于以下考慮：首先是便于單片機(jī)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(dòng)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(guò)程;其次,可以滿足設(shè)計(jì)要求中的零伏輸出。若單純用LM2576的反饋引腳,則手冊(cè)中給出的參考電路最低輸出只能達(dá)到1.25V,因此需要將反饋電壓“平移”一個(gè)VREF參考電壓的電平。最后是因?yàn)長(zhǎng)M2576的反饋端是以1.23V為基準(zhǔn)進(jìn)行比較的：當(dāng)反饋取樣電壓大于1.23V時(shí),減小開(kāi)關(guān)的占空比;大于1.23V時(shí),增加占空比。一般的誤差電壓不會(huì)大于1V,因此需要將減法結(jié)果再向上 “平移”一個(gè)VREF的電平。
反饋電阻分壓得到的電壓還同時(shí)送到單片機(jī)的DAC,通過(guò)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(kāi)關(guān)電源的原理
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圖3是升壓型開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電流經(jīng)電感→開(kāi)關(guān)管→接地,二極管截止;開(kāi)關(guān)管截止時(shí),電流被截?cái)?電感放出能量,這時(shí)電流經(jīng)二極管給電容充電并給負(fù)載提供電流,實(shí)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(kāi)關(guān)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(wú)法在同一電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)升降壓。本文采取的辦法是用小型繼電器切換。通過(guò)受信號(hào)控制的切換,開(kāi)關(guān)連接到不同的觸點(diǎn),完成電路連接形式的切換。
切換電路如圖4所示,圖中四個(gè)開(kāi)關(guān)分屬兩個(gè)不同的繼電器(雙刀雙擲)K4和K3,均受單片機(jī)控制。通過(guò)繼電器觸點(diǎn)切換,實(shí)現(xiàn)升壓和降壓作用。要說(shuō)明的是,圖 4中沒(méi)有畫(huà)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(shuō)明的加入了減法器的改進(jìn)反饋回路。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中采用了帶減法器的電路。
恒流輸出電路設(shè)計(jì)
在上述功能基礎(chǔ)上,本設(shè)計(jì)進(jìn)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(lái),并加以放大,得到適當(dāng)大小的直流電壓信號(hào)。此信號(hào)一方面送到單片機(jī)進(jìn)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(dāng)輸出電流增加時(shí),放大器電壓增加,通過(guò)減法器與參考電壓比較后得到的反饋電壓增加,LM2576減少開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比,電感中儲(chǔ)能減少,導(dǎo)致輸出電流下降,完成反饋過(guò)程。
圖4 實(shí)現(xiàn)恒流輸出的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路
通過(guò)單片機(jī)I/O引腳對(duì)繼電器的控制,實(shí)現(xiàn)反饋減法器輸入的選擇,從而實(shí)現(xiàn)電路恒壓/恒流的切換控制。
性能測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)如表所示。
由于調(diào)試測(cè)試時(shí)使用的直流穩(wěn)壓電源自帶的輸出電流測(cè)量功能精度較低,在小電流情況下測(cè)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(shí)的,有待更精確的測(cè)試。
實(shí)際輸出電壓用萬(wàn)用表測(cè)量,輸入電流采用HH1710測(cè)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(jí)線圈帶負(fù)載后實(shí)地測(cè)量,取21 VDC。
測(cè)試條件：負(fù)載10W,測(cè)試數(shù)據(jù)為負(fù)載電阻上電壓換算得出。
結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)分析、軟件流程分析和實(shí)際測(cè)試,本開(kāi)關(guān)電源達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并超出擴(kuò)展要求的指標(biāo)。如果對(duì)一些細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)一步改進(jìn),本電源還具有成為實(shí)用設(shè)備的潛力,例如增加一路輸出,或者增加正負(fù)雙電源同步可調(diào)等。
