浅谈一种多功能开关电源设计

　　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。

　　方案论证及设计

　　开关电源控制模块，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、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，数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC。

　　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

　　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。

　　图2 降压型（Buck）基本电路

　　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。

　　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

　　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。

　　图4 电路升降压切换图示

　　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。

　　图5 实现恒流输出的电流-电压转换电路

　　通过单片机I/O引脚对继电器的控制，实现反馈减法器输入的选择，从而实现电路恒压/恒流的切换控制。

　　性能测试结果及分析

　　本系统的升、降压性能及恒流输出性能测试数据如表1、2、3所示。

　　表1 降压电路测试数据

　　表2 升压电路测试数据

　　表3 恒流电路测试数据

　　由于调试测试时使用的直流稳压电源自带的输出电流测量功能较低，在小电流情况下测量显示误差较大，因此低电压输出的效率很有可能是不真实的，有待更的测试。

　　实际输出电压用万用表测量，输入电流采用HH1710测试，电压纹波用示波器交流档观察。

　　其中输入电压根据变压器次级线圈带负载后实地测量，取21 VDC。

　　测试条件：负载10W,测试数据为负载电阻上电压换算得出。

　　结语

　　经过硬件电路设计分析、软件流程分析和实际测试，本开关电源达到了设计要求并超出扩展要求的指标。如果对一些细节问题进一步改进，本电源还具有成为实用设备的潜力。