多功能開關電源設計

2016-03-27 21:28:01

來源：網絡

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關鍵詞：開關電源,多功能,LM2576

　　引言

　　隨著電源技術的飛速發展，開關電源以其功耗小、體積小、重量輕等優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;調整過程用單片機完成，并提供數字顯示功能。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。

　　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，這是具有可調電壓輸出的開關電源控制芯片，內置PWM控制電路和驅動管，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范圍內調整，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集成數碼管顯示和鍵盤控制器，完成數據顯示和鍵盤輸入的功能。擴展要求中的參數掉電記憶功能，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 系統的模塊結構和設計原理框圖

　　硬件電路設計

　　降壓型電路原理和設計

　　采用LM2576構成的降壓電路如圖2所示，輸出電壓經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定。此反饋回路的本質仍然是負反饋，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轉換電壓靠近，完成電壓調整過程;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轉換和尺度換算，得到輸出電壓值，作為數字量顯示輸出到數碼管上。

　　升壓型電路原理和升降壓電路的切換

　　升壓型開關電源的原理

　　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，這時電流經二極管給電容充電并給負載提供電流，實現了升壓型電源。

　　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。

　　圖4 電路升降壓切換圖示

　　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轉換，一方面送到反饋回路減法器的輸入，并與D/A轉換輸出電壓比較。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。