基于LM2576的多功能開關(guān)電源設(shè)計(jì)介紹|壹芯微

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。本文介紹了一種性價(jià)比高、功能豐富的程控開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，對(duì)基于LM2576控制核心的升、降壓電路設(shè)計(jì)、切換及恒流輸出電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹。性能測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性及實(shí)用性。

1.方案設(shè)計(jì)

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(dòng)管，性價(jià)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(jì)要求。反饋回路中進(jìn)行比較、差分放大的電路采用CMOS型集成運(yùn)放TLC2262,具有功耗低、精度高、滿幅輸出范圍大、線性度好等特點(diǎn)，適合在本設(shè)計(jì)電路中應(yīng)用。

單片機(jī)控制模塊，包括單片機(jī)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(jī)交互接口。這一模塊的作用是通過單片機(jī)輸出的D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)和繼電器切換控制信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC。

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(jī)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(jì)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理框圖

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1降壓型電路原理和設(shè)計(jì)

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(hào)是單片機(jī)給出的電壓信號(hào)，輸出的取樣電壓減去D/A轉(zhuǎn)換電壓后得到誤差信號(hào)。再將誤差信號(hào)加上參考電壓(VREF)1.23V,將此結(jié)果送到LM2576的反饋端。

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(jì)中的反饋回路復(fù)雜度較高，這種設(shè)計(jì)主要是出于以下考慮：首先是便于單片機(jī)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(dòng)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(jì)要求中的零伏輸出。若單純用LM2576的反饋引腳，則手冊(cè)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(gè)VREF參考電壓的電平。

反饋電阻分壓得到的電壓還同時(shí)送到單片機(jī)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。

2.2升壓型電路原理和切換

(1)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(shí)，電流經(jīng)電感→開關(guān)管→接地，二極管截止;開關(guān)管截止時(shí)，電流被截?cái)啵姼蟹懦瞿芰浚@時(shí)電流經(jīng)二極管給電容充電并給負(fù)載提供電流，實(shí)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。

(2)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(shí)實(shí)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(hào)控制的切換，開關(guān)連接到不同的觸點(diǎn)，完成電路連接形式的切換。

切換電路如圖4所示，圖中四個(gè)開關(guān)分屬兩個(gè)不同的繼電器(雙刀雙擲)K4和K3,均受單片機(jī)控制。通過繼電器觸點(diǎn)切換，實(shí)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。

圖4 電路升降壓切換圖示

3.恒流輸出電路設(shè)計(jì)

在上述功能基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)進(jìn)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(hào)。此信號(hào)一方面送到單片機(jī)進(jìn)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。

圖5 實(shí)現(xiàn)恒流輸出的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

通過單片機(jī)I/O引腳對(duì)繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)反饋減法器輸入的選擇，從而實(shí)現(xiàn)電路恒壓/恒流的切換控制。

4.性能測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)如表1、2、3所示。

由于調(diào)試測(cè)試時(shí)使用的直流穩(wěn)壓電源自帶的輸出電流測(cè)量功能精度較低，在小電流情況下測(cè)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(shí)的，有待更精確的測(cè)試。

實(shí)際輸出電壓用萬用表測(cè)量，輸入電流采用HH1710測(cè)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(jí)線圈帶負(fù)載后實(shí)地測(cè)量，取21VDC。

測(cè)試條件：負(fù)載10W,測(cè)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(jì)分析、軟件流程分析和實(shí)際測(cè)試，本開關(guān)電源達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并超出擴(kuò)展要求的指標(biāo)。如果對(duì)一些細(xì)節(jié)問題進(jìn)一步改進(jìn)，本電源還具有成為實(shí)用設(shè)備的潛力。

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