1.前言
在一些特殊應用場合，需要一種低電壓大電流的電源，有時也需要電源頻率、脈寬均可調整的脈沖電源。本文以ATmega16 為系統(tǒng)控制核心，結合RT8105 所組成的DC/DC 電源電路實現(xiàn)，最終實現(xiàn)了頻率、脈寬可調低電壓大電流的脈沖電源。
2.系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
系統(tǒng)首先由RT8105 構成的DC-DC 電源電路產生穩(wěn)定的2V 電壓，該電壓經過一個開關管連接至負載，通過ATmega16 單片機輸出的脈沖波形配合相應的驅動電路控制該開關管的導通和關斷，從而在負載上形成與該脈沖波形同頻率、同脈寬的脈沖電流。
此外，系統(tǒng)中加入了鍵盤、LED 和串口。鍵盤用于設置脈沖電源的頻率和占空比，LED 用于顯示當前脈沖電源的占空比，便于用戶觀察。串口用于與PC 機進行連接，用戶可通過相應的上位機軟件進行設置，該系統(tǒng)工作安全、穩(wěn)定，操作方便。
3.RT8105簡介
RT8105 是臺灣立锜科技股份有限公司生產的電壓模式、5V/12V 輸入的同步降壓式PWM 的DC-DC 控制器。具有以下特點：開關頻率為300kHz，輸出PWM波占空比0~100% 可調，其輸出的雙路相位差為180°的PWM 波可直接驅動所有的低功耗N-MOSFET，內部自帶誤差比較器，具有實時過壓、欠壓、過流保護電路，系統(tǒng)軟啟動等功能。其內部結構框圖如圖2 所示。
圖2 RT8105內部結構框圖[!--empirenews.page--]
4、系統(tǒng)實現(xiàn)
4.1. DC/DC變換電路
DC/DC 變換電路作為系統(tǒng)中最重要的一部分，其輸出電壓的穩(wěn)定直接影響脈沖電源的性能。使用RT8105 可以直接驅動兩路VMOS 開關管IRF640，電路結構簡單。具體電路如圖3 所示。
圖3 DC/DC變換電路原理圖
圖中，系統(tǒng)供電電壓為+12V，T8105 輸出兩路反相PWM 波驅動Q2 和Q4，經儲能電感L1 和電容濾波，產生直流電壓再由FB 引腳反饋回RT8105 進而調整輸出PWM 波的占空比，形成硬件閉環(huán)電路，從而使輸出電壓穩(wěn)定到2V。
電路輸出電壓計算公式為：Vout=Vref×（1+R6/R4）， 其中Vref 為RT8105 芯片內部的基準電壓，Vref=0.8V±2%，當R6=13K，R4=8K 時輸出壓電壓達到2.1V。
4.2. 脈沖產生電路
脈沖產生電路由MCU 輸出波形控制開關管的通斷來實現(xiàn)。由于VMOS 導通時所需VGS 電壓必須大于4V，而MCU 輸出電壓僅5V，需要電路中加入一級放大電路，該放大電路由9012 和9013 兩只三極管實現(xiàn)，脈沖產生電路如圖4 所示。
圖4 脈沖產生電路
圖中，PULS 為MCU 輸出的脈沖控制信號，該信號經過電壓放大后驅動VMOS 管，從而使輸出至負載的Vout 信號與PULS 信號同脈寬、同頻率。通過改變PULS 占空比及頻率，就可以實現(xiàn)Vout 輸出的脈寬、頻率可調。[!--empirenews.page--]
4.3. 開關型降壓穩(wěn)壓電路
MCU 及電路中其它部分所需要的5V 電源由開關型降壓穩(wěn)壓芯片LM2576 產生，其電路結構簡單。具體電路如圖5 所示。
圖5 開關型降壓穩(wěn)壓電路
系統(tǒng)中并未采用常用的線性三端穩(wěn)壓芯片LM7805，其原因是線性穩(wěn)壓電源在工作中會有大的“熱損耗”，其工作效率低。而開關穩(wěn)壓電源具有集成度高、外圍電路簡單、電源效率高（70%~90%）等優(yōu)點，開關穩(wěn)壓電源已經取代效率較低的線性穩(wěn)壓器， 成為現(xiàn)代超大規(guī)模集成系統(tǒng)中不可或缺的部分。
4.4. 單片機及人機接口電路
系統(tǒng)中使用了5 個按鍵，用于設置輸出的周期及占空比。使用4 個8 段LED 用于顯示當前周期和占空比。
具體電路圖如圖6 所示。
圖6 單片機及人機接口電路
數(shù)碼管D7 顯示當前功能模式代碼（0 表示占空比模式，1 表示周期模式），D8~D10 用于顯示占空比或周期值。按鍵K1~K5 用于參數(shù)的設置，分別完成左移，右移，OK，加，減功能。按鍵控制分兩種模式，設置模式和非設置模式。在設置模式下，調整占空比和周期值的大小，左、右移位鍵移動3 個數(shù)碼管的3 個位，移到的位閃爍，此時可通過加、減鍵來改變這一位的值，按下OK 鍵完成設置；在非設置模式下，不能改變參數(shù)，只能用加、減鍵切換D7 的模式代碼，數(shù)碼管D8~D10 顯示該模式下的數(shù)值。其中，占空比的可設置范圍0~100%，周期值范圍1~999ms，即頻率可從1Hz~1kHz 進行設置。
5、系統(tǒng)測試結果及分析
系統(tǒng)測試所使用到的儀器主要有：數(shù)字熒光示波器TDS7104，電流探頭TCP202，有源探頭P6243，電子負載IT8511。
5.1. 電壓調整率
電壓調整率即負載固定時，輸入電壓的波動對輸出電壓的影響（即輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值）。以輸出電流6A 時對應的輸出電壓2.04V，2.05V，2.05V，輸入電壓10.8V，12.0V，13.2V（如表1），計算電壓調整率：
5.2. 負載調整率
輸入電壓12V，以及增加偏移為±10% 的10.8V 和13.2V。輸出電流將占空比調為最大，用來測試最大負載情況。負載以最大6A 的0%-100% 步進20% 進行測試。[!--empirenews.page--]
測試數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 電流調整率測試表
負載調整率是在輸入電壓固定的情況下，負載電流IO 從0 變化到最大額定性（滿載）時所引起輸出電壓的變化。以輸入電壓12.0V 對應的輸出電壓，輸出電流0 ～ 6A 變化，計算負載調整率：
5.3. 電源轉換效率
電源的轉換效率反應電路的電能損耗情況，是電源設計的一個重要參數(shù)，表2 給出的效率數(shù)據(jù)是根據(jù)公式計算的：
表2 電源轉換效率測試表
5.4. 輸出脈沖
圖7 為電路輸出的2V/6A 脈沖，圖中上邊是DC/DC輸出電壓波形，下邊是脈沖輸出電流波形，波形參數(shù)如圖所示。
圖7 輸出2V/6A脈沖
6、小結
此電源的設計方法、結構、原理比較簡單，通過合理的選用器件和PCB 布線、正確的運用調試方法，使電路設計得到了優(yōu)化。選用的器件RT8105，其內嵌的MOSFET 場效應管驅動電路簡化了外圍電路的設計，內部集成的補償電路減少了電路中元器件的數(shù)量；并且它的各種保護電路提高了器件的使用壽命和電路的安全性和穩(wěn)定性。
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