引言
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?xún)r(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?xún)r(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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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,。
引言
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?xún)r(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?xún)r(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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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,。
升壓型電路原理和升降壓電路的切換
升壓型開(kāi)關(guān)電源的原理
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,。
圖4 電路升降壓切換圖示
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5 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1,、2,、3所示。
表1 降壓電路測(cè)試數(shù)據(jù)
表2 升壓電路測(cè)試數(shù)據(jù)
表3 恒流電路測(cè)試數(shù)據(jù)
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,。
參考文獻(xiàn)：
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2. Atmel Corporation. AT24C08， 2-Wire Serial CMOS EEPROM,， 2002,， www.atmel.com
3. ［日］鈴木雅臣。 晶體管電路設(shè)計(jì)（下）,。 科學(xué)出版社,，2004
4. 楊旭等。 開(kāi)關(guān)電源技術(shù),。 機(jī)械工業(yè)出版社,，2004
5. ［日］長(zhǎng)谷川彰著，何希才譯,。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,。 科學(xué)出版社，2006
6. National Semiconductor. LM2576 /LM2576HV Series SIMPLE SWITCHER 3A Step - Down Voltage Regulator. JUNE 1999,， www.national.com