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)計方案,。

　　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 ~ 15 V，步進100 mV;輸出電流不小于1 A,，紋波300 mV以下;調(diào)整過程用單片機完成,，并提供數(shù)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(fù)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(shè)置的參數(shù),。

　　方案論證及設(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,。這一模塊的作用是完成開關(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,。

　　單片機控制模塊,，包括單片機和相應(yīng)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊,、繼電器切換控制模塊,，以及人機交互接口。這一模塊的作用是通過單片機輸出的D/A轉(zhuǎn)換信號和繼電器切換控制信號,，對開關(guān)電源核心模塊進行控制,，從而實現(xiàn)程序控制升壓、降壓和電路切換的功能,。模塊中的單片機采用C8051F330D,，為增強型51內(nèi)核單片機，集成了10位ADC和10位DAC,，滿足設(shè)計精度需要,。人機交互接口采用CH452L集成數(shù)碼管顯示和鍵盤控制器，完成數(shù)據(jù)顯示和鍵盤輸入的功能,。擴展要求中的參數(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。輔助電源模塊通過整流提供兩路直流輸出,，一路給開關(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,。當(dāng)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(zhuǎn)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(guān)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(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)計中的反饋回路復(fù)雜度較高，這種設(shè)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(zhuǎn)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(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(zhǔn)進行比較的：當(dāng)反饋取樣電壓大于1.23V時,，減小開關(guān)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(jié)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(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)計方案,。

　　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 ~ 15 V，步進100 mV;輸出電流不小于1 A,，紋波300 mV以下;調(diào)整過程用單片機完成,，并提供數(shù)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(fù)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(shè)置的參數(shù),。

　　方案論證及設(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,。這一模塊的作用是完成開關(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,。

　　單片機控制模塊,，包括單片機和相應(yīng)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊,、繼電器切換控制模塊,，以及人機交互接口。這一模塊的作用是通過單片機輸出的D/A轉(zhuǎn)換信號和繼電器切換控制信號,，對開關(guān)電源核心模塊進行控制,，從而實現(xiàn)程序控制升壓、降壓和電路切換的功能,。模塊中的單片機采用C8051F330D,，為增強型51內(nèi)核單片機，集成了10位ADC和10位DAC,，滿足設(shè)計精度需要,。人機交互接口采用CH452L集成數(shù)碼管顯示和鍵盤控制器，完成數(shù)據(jù)顯示和鍵盤輸入的功能,。擴展要求中的參數(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。輔助電源模塊通過整流提供兩路直流輸出,，一路給開關(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。當(dāng)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(zhuǎn)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(guān)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(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)計中的反饋回路復(fù)雜度較高，這種設(shè)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(zhuǎn)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(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(zhǔn)進行比較的：當(dāng)反饋取樣電壓大于1.23V時,，減小開關(guān)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(jié)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(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)載提供電流，實現(xiàn)了升壓型電源,。

　　圖3 升壓型電路原理圖

　　LM2576在電路中所起的作用可以看作是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，均受單片機控制,。通過繼電器觸點切換,，實現(xiàn)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(jīng)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(shè)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(shè)計

　　在上述功能基礎(chǔ)上，本設(shè)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(dāng)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(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，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(guān)信號的占空比，電感中儲能減少,，導(dǎo)致輸出電流下降,，完成反饋過程。

　　圖5 實現(xiàn)恒流輸出的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

　　通過單片機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。

　　性能測試結(jié)果及分析

　　本系統(tǒng)的升,、降壓性能及恒流輸出性能測試數(shù)據(jù)如表1、2,、3所示,。

　　表1 降壓電路測試數(shù)據(jù)

　　表2 升壓電路測試數(shù)據(jù)

　　表3 恒流電路測試數(shù)據(jù)

　　由于調(diào)試測試時使用的直流穩(wěn)壓電源自帶的輸出電流測量功能精度較低，在小電流情況下測量顯示誤差較大,，因此低電壓輸出的效率很有可能是不真實的,，有待更精確的測試,。

　　實際輸出電壓用萬用表測量，輸入電流采用HH1710測試,，電壓紋波用示波器交流檔觀察,。

　　其中輸入電壓根據(jù)變壓器次級線圈帶負(fù)載后實地測量，取21 VDC,。

　　測試條件：負(fù)載10W,，測試數(shù)據(jù)為負(fù)載電阻上電壓換算得出。

　　結(jié)語

　　經(jīng)過硬件電路設(shè)計分析,、軟件流程分析和實際測試,，本開關(guān)電源達(dá)到了設(shè)計要求并超出擴展要求的指標(biāo)。如果對一些細(xì)節(jié)問題進一步改進,，本電源還具有成為實用設(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（下）。 科學(xué)出版社,，2004

　　4. 楊旭等,。 開關(guān)電源技術(shù)。 機械工業(yè)出版社,，2004

　　5. ［日］長谷川彰著,，何希才譯。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計與應(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