鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年12月26日
多功能開關電源設計
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0~15V,步進100mV;輸出電流不小于1A,紋波300mV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5V,測量負載電流為1A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。
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。
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。
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