引言

隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)電源以其功耗小、體積小、重量輕等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。目前開關(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)計競賽為背景，介紹一種性價比高、功能較強的實用開關(guān)電源設(shè)計方法。

競賽內(nèi)容為設(shè)計具有單路恒壓輸出功能的開關(guān)電源，輸出電壓范圍為0~15V,步進(jìn)100mV;輸出電流不小于1A,紋波300mV以下；調(diào)整過程用單片機(jī)完成，并供應(yīng)數(shù)字顯示功能。

方法論證及設(shè)計

開關(guān)電源控制核心模塊，包括開關(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。這一模塊的用途是完成開關(guān)電源最基本的功能，包括降壓、升壓和恒流等。其中開關(guān)電源控制器采用LM2576-ADJ,這是具有可調(diào)電壓輸出的開關(guān)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(dá)到3A,滿足題目設(shè)計要求。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(shè)計電路中應(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。這一模塊的用途是通過單片機(jī)輸出的D/A轉(zhuǎn)換信號和繼電器切換控制信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。

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供應(yīng)兩路直流輸出，一路給開關(guān)電源的核心模塊供應(yīng)輸出所需的足夠能量，另一路由LM2576和LM1117穩(wěn)壓給單片機(jī)和其他控制模塊供應(yīng)控制要的較低壓直流電。

以上描述的總體設(shè)計原理見圖1。

圖1系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理框圖

硬件電路設(shè)計

降壓型電路原理和設(shè)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(fù)端接VSET。VSET信號是單片機(jī)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。

圖2降壓型（Buck）基本電路

相比于傳統(tǒng)的直接反饋，本設(shè)計中的反饋回路復(fù)雜度較高，這種設(shè)計重要是出于以下考慮：首先是便于單片機(jī)控制，只要改變D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓，則反饋回路起用途，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(shè)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(dá)到1.25V,因此要將反饋電壓“平移”一個VREF參考電壓的電平。

反饋電阻分壓得到的電壓還同時送到單片機(jī)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。

升壓型電路原理和

升降壓電路的切換

升壓型開關(guān)電源的原理

圖3是升壓型開關(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。開關(guān)管導(dǎo)通時，電流經(jīng)電感→開關(guān)管→接地，二極管截止；開關(guān)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(fù)載供應(yīng)電流，實現(xiàn)了升壓型電源。

圖3升壓型電路原理圖

LM2576在電路中所起的用途可以看作是pWM發(fā)生器和開關(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(guān)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(guān)分屬兩個不同的繼電器（雙刀雙擲）K4和K3,均受單片機(jī)控制。通過繼電器觸點切換，實現(xiàn)升壓和降壓用途。要說明的是，圖4中沒有畫出反饋回路。

圖4電路升降壓切換圖示

恒流輸出電路設(shè)計

在上述功能基礎(chǔ)上，本設(shè)計進(jìn)一步新增了恒流輸出功能，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(dāng)大小的直流電壓信號。此信號一方面送到單片機(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。

圖5實現(xiàn)恒流輸出的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

通過單片機(jī)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。