一种多功能开关电源设计
中心议题：
- 方案论证及设计
- 硬件电路设计
- 性能测试结果及分析
随着电源技术的飞速发展,开关电源以其功耗小、体积小、重量轻等优点得到了广泛的应用。目前开关电源也正在朝着集成化与多功能化的方向发展。本文以大学生电子设计竞赛为背景,介绍一种性价比高、功能较强的实用开关电源设计方案。
竞赛内容为设计具有单路恒压输出功能的开关电源,输出电压范围为0 ~ 15 V,步进100 mV;输出电流不小于1 A,纹波300 mV以下;调整过程用单片机完成,并提供数字显示功能。扩展要求为：电源具有升压功能：输入为5 V,测量负载电流为1 A时的输出电压;具有延迟输出功能,避免上电冲击;具有掉电记忆功能,存储上次设置的参数。
方案论证及设计
开关电源控制核心模块,包括开关电源控制器和配套的必要外围电路、反馈回路和继电器切换电路。这一模块的作用是完成开关电源最基本的功能,包括降压、升压和恒流等。其中开关电源控制器采用LM2576-ADJ,这是具有可调电压输出的开关电源控制芯片,内置PWM控制电路和驱动管,性价比高。此芯片最大输入电压为37V,输出通过反馈电阻分压,可在1.25V~ 35V范围内调整,输出电流可以达到3A,满足题目设计要求。反馈回路中进行比较、差分放大的电路采用CMOS型集成运放TLC2262,具有功耗低、精度高、满幅输出范围大、线性度好等特点,适合在本设计电路中应用。
单片机控制模块,包括单片机和相应的A/D、D/A转换模块、继电器切换控制模块,以及人机交互接口。这一模块的作用是通过单片机输出的D/A 转换信号和继电器切换控制信号,对开关电源核心模块进行控制,从而实现程序控制升压、降压和电路切换的功能。模块中的单片机采用C8051F330D,为增强型51内核单片机,集成了10位ADC和10位DAC,满足设计精度需要。人机交互接口采用CH452L集成数码管显示和键盘控制器,完成数据显示和键盘输入的功能。扩展要求中的参数掉电记忆功能,由串行E2PROM芯片 AT24C08完成。
辅助电源模块完成从220V到系统所需各路电源的变压、整流、降压等工作。辅助电源模块通过整流提供两路直流输出,一路给开关电源的核心模块提供输出所需的足够能量,另一路由LM2576和LM1117稳压给单片机和其他控制模块提供控制需要的较低压直流电。
以上描述的总体设计原理见图1。
图1 系统的模块结构和设计原理框图
硬件电路设计
降压型电路原理和设计
采用LM2576构成的降压电路如图2所示,输出电压经R1和R2分压取样后送到减法器的正输入端,负端接VSET。VSET信号是单片机给出的电压信号,输出的取样电压减去D/A转换电压后得到误差信号。再将误差信号加上参考电压(VREF)1.23V, 将此结果送到LM2576的反馈端。当输出电压因某种原因下降时,取样电阻分压下降,低于单片机D/A转换信号给出的参考电压,减法器输出小于 1.23V,此信号送到LM2576反馈端后,开关信号的占空比增加,电感储能增加,输出电压上升,最终使输出电压保持稳定。此反馈回路的本质仍然是负反馈,并且符合LM2576的使用要求。
图2 降压型（Buck）基本电路
相比于传统的直接反馈,本设计中的反馈回路复杂度较高,这种设计主要是出于以下考虑：首先是便于单片机控制,只要改变D/A转换输出电压,则反馈回路起作用,自动将输出取样电压向D/A转换电压靠近,完成电压调整过程;其次,可以满足设计要求中的零伏输出。若单纯用LM2576的反馈引脚,则手册中给出的参考电路最低输出只能达到1.25V,因此需要将反馈电压“平移”一个VREF参考电压的电平。最后是因为LM2576的反馈端是以1.23V为基准进行比较的：当反馈取样电压大于1.23V时,减小开关的占空比;大于1.23V时,增加占空比。一般的误差电压不会大于1V,因此需要将减法结果再向上 “平移”一个VREF的电平。
反馈电阻分压得到的电压还同时送到单片机的DAC,通过D/A转换和尺度换算,得到输出电压值,作为数字量显示输出到数码管上。
升压型开关电源的原理
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图3是升压型开关电源的原理图。由于存在电感,因此可以做到输出电压大于输入电压。开关管导通时,电流经电感→开关管→接地,二极管截止;开关管截止时,电流被截断,电感放出能量,这时电流经二极管给电容充电并给负载提供电流,实现了升压型电源。
图3 升压型电路原理图
LM2576在电路中所起的作用可以看作是PWM发生器和开关管的集成,因此,虽然LM2576通常用做降压电路,但具有改造成为升压电路的能力。
升降压电路的切换
升压电路和降压电路的连接方式不同,因此无法在同一电路中同时实现升降压。本文采取的办法是用小型继电器切换。通过受信号控制的切换,开关连接到不同的触点,完成电路连接形式的切换。
切换电路如图4所示,图中四个开关分属两个不同的继电器(双刀双掷)K4和K3,均受单片机控制。通过继电器触点切换,实现升压和降压作用。要说明的是,图 4中没有画出反馈回路。反馈既可以采用经典的取样电压直接反馈的办法,也可以采用前边说明的加入了减法器的改进反馈回路。在实际的电路设计中采用了带减法器的电路。
恒流输出电路设计
在上述功能基础上,本设计进一步增加了恒流输出功能,如图5所示。将输出电流在分流器上的压降取出来,并加以放大,得到适当大小的直流电压信号。此信号一方面送到单片机进行A/D转换,一方面送到反馈回路减法器的输入,并与D/A转换输出电压比较。当输出电流增加时,放大器电压增加,通过减法器与参考电压比较后得到的反馈电压增加,LM2576减少开关信号的占空比,电感中储能减少,导致输出电流下降,完成反馈过程。
图4 实现恒流输出的电流-电压转换电路
通过单片机I/O引脚对继电器的控制,实现反馈减法器输入的选择,从而实现电路恒压/恒流的切换控制。
性能测试结果及分析
本系统的升、降压性能及恒流输出性能测试数据如表所示。
由于调试测试时使用的直流稳压电源自带的输出电流测量功能精度较低,在小电流情况下测量显示误差较大,因此低电压输出的效率很有可能是不真实的,有待更精确的测试。
实际输出电压用万用表测量,输入电流采用HH1710测试,电压纹波用示波器交流档观察。
其中输入电压根据变压器次级线圈带负载后实地测量,取21 VDC。
测试条件：负载10W,测试数据为负载电阻上电压换算得出。
结语
经过硬件电路设计分析、软件流程分析和实际测试,本开关电源达到了设计要求并超出扩展要求的指标。如果对一些细节问题进一步改进,本电源还具有成为实用设备的潜力,例如增加一路输出,或者增加正负双电源同步可调等。
