多功能开关电源设计

2万 · 2014-3-27 23:54

摘要：本文介绍了一种性价比高、功能丰富的程控开关电源的设计,对基于LM2576控制核心的升、降压电路设计、切换及恒流输出电路进行了详细介绍。性能测试结果验证了本设计的有效性及实用性。

关键词：开关电源;多功能;LM2576

引言

随着电源技术的飞速发展,开关电源以其功耗小、体积小、重量轻等优点得到了广泛的应用。目前开关电源也正在朝着集成化与多功能化的方向发展。本文以大学生电子设计竞赛为背景,介绍一种性价比高、功能较强的实用开关电源设计方案。

竞赛内容为设计具有单路恒压输出功能的开关电源,输出电压范围为0 ~ 15 V,步进100 mV;输出电流不小于1 A,纹波300 mV以下;调整过程用单片机完成,并提供数字显示功能。扩展要求为：电源具有升压功能：输入为5 V,测量负载电流为1 A时的输出电压;具有延迟输出功能,避免上电冲击;具有掉电**功能,存储上次设置的参数。

方案论证及设计

开关电源控制核心模块,包括开关电源控制器和配套的必要外围电路、反馈回路和继电器切换电路。这一模块的作用是完成开关电源最基本的功能,包括降压、升压和恒流等。其中开关电源控制器采用LM2576-ADJ,这是具有可调电压输出的开关电源控制芯片,内置PWM控制电路和驱动管,性价比高。此芯片最大输入电压为37V,输出通过反馈电阻分压,可在1.25V~ 35V范围内调整,输出电流可以达到3A,满足题目设计要求。反馈回路中进行比较、差分放大的电路采用CMOS型集成运放TLC2262,具有功耗低、精度高、满幅输出范围大、线性度好等特点,适合在本设计电路中应用。

单片机控制模块,包括单片机和相应的A/D、D/A转换模块、继电器切换控制模块,以及人机交互接口。这一模块的作用是通过单片机输出的D/A转换信号和继电器切换控制信号,对开关电源核心模块进行控制,从而实现程序控制升压、降压和电路切换的功能。模块中的单片机采用C8051F330D,为增强型51内核单片机,集成了10位ADC和10位DAC,满足设计精度需要。人机交互接口采用CH452L集成数码管显示和键盘控制器,完成数据显示和键盘输入的功能。扩展要求中的参数掉电**功能,由串行E2PROM芯片 AT24C08完成。

2万 · 2014-3-27 23:55

辅助电源模块完成从220V到系统所需各路电源的变压、整流、降压等工作。辅助电源模块通过整流提供两路直流输出,一路给开关电源的核心模块提供输出所需的足够能量,另一路由LM2576和LM1117稳压给单片机和其他控制模块提供控制需要的较低压直流电。

以上描述的总体设计原理见图1。

图1 系统的模块结构和设计原理框图

2万 · 2014-3-27 23:55

硬件电路设计

降压型电路原理和设计

采用LM2576构成的降压电路如图2所示,输出电压经R1和R2分压取样后送到减法器的正输入端,负端接VSET。VSET信号是单片机给出的电压信号,输出的取样电压减去D/A转换电压后得到误差信号。再将误差信号加上参考电压(VREF)1.23V, 将此结果送到LM2576的反馈端。当输出电压因某种原因下降时,取样电阻分压下降,低于单片机D/A转换信号给出的参考电压,减法器输出小于 1.23V,此信号送到LM2576反馈端后,开关信号的占空比增加,电感储能增加,输出电压上升,最终使输出电压保持稳定。此反馈回路的本质仍然是负反馈,并且符合LM2576的使用要求。

图2 降压型（Buck）基本电路

2万 · 2014-3-27 23:55

相比于传统的直接反馈,本设计中的反馈回路复杂度较高,这种设计主要是出于以下考虑：首先是便于单片机控制,只要改变D/A转换输出电压,则反馈回路起作用,自动将输出取样电压向D/A转换电压靠近,完成电压调整过程;其次,可以满足设计要求中的零伏输出。若单纯用LM2576的反馈引脚,则手册中给出的参考电路最低输出只能达到1.25V,因此需要将反馈电压“平移”一个VREF参考电压的电平。最后是因为LM2576的反馈端是以1.23V为基准进行比较的：当反馈取样电压大于1.23V时,减小开关的占空比;大于1.23V时,增加占空比。一般的误差电压不会大于1V,因此需要将减法结果再向上“平移”一个VREF的电平。

2万 · 2014-3-27 23:56

反馈电阻分压得到的电压还同时送到单片机的DAC,通过D/A转换和尺度换算,得到输出电压值,作为数字量显示输出到数码管上。

升压型电路原理和

升降压电路的切换

升压型开关电源的原理

图3是升压型开关电源的原理图。由于存在电感,因此可以做到输出电压大于输入电压。开关管导通时,电流经电感→开关管→接地,二极管截止;开关管截止时,电流被截断,电感放出能量,这时电流经二极管给电容充电并给负载提供电流,实现了升压型电源。

图3 升压型电路原理图

2万 · 2014-3-27 23:56

LM2576在电路中所起的作用可以看作是PWM发生器和开关管的集成,因此,虽然LM2576通常用做降压电路,但具有改造成为升压电路的能力。

升降压电路的切换

升压电路和降压电路的连接方式不同,因此无法在同一电路中同时实现升降压。本文采取的办法是用小型继电器切换。通过受信号控制的切换,开关连接到不同的触点,完成电路连接形式的切换。

切换电路如图4所示,图中四个开关分属两个不同的继电器(双刀双掷)K4和K3,均受单片机控制。通过继电器触点切换,实现升压和降压作用。要说明的是,图 4中没有画出反馈回路。反馈既可以采用经典的取样电压直接反馈的办法,也可以采用前边说明的加入了减法器的改进反馈回路。在实际的电路设计中采用了带减法器的电路。

图4 电路升降压切换图示

2万 · 2014-3-27 23:56

恒流输出电路设计

在上述功能基础上,本设计进一步增加了恒流输出功能,如图5所示。将输出电流在分流器上的压降取出来,并加以放大,得到适当大小的直流电压信号。此信号一方面送到单片机进行A/D转换,一方面送到反馈回路减法器的输入,并与D/A转换输出电压比较。当输出电流增加时,放大器电压增加,通过减法器与参考电压比较后得到的反馈电压增加,LM2576减少开关信号的占空比,电感中储能减少,导致输出电流下降,完成反馈过程。