一種數(shù)控可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計

摘要：文章提出了一種反激式結(jié)構(gòu)的數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計方案，該開關(guān)電源采用低成本的控制芯片—UC3842。文中還提出了UC3842在自饋電壓變化很大情況下穩(wěn)定供電的解決方案。此方案電壓調(diào)節(jié)方式(如，RS485總線、USB總線、按鍵、CAN總線等)多樣化，適合使用在工業(yè)現(xiàn)場以及實驗室。
關(guān)鍵詞：反激式開關(guān)電源；數(shù)字控制；數(shù)字電位器；UC3842

0 引言
    現(xiàn)今的可調(diào)式開關(guān)電源通常采用專用芯片，具有開發(fā)時間短、可控性強(qiáng)等優(yōu)點；同時也具有功能受芯片限制等缺點。本文提出的可控式開關(guān)電源方案通過軟件控制改變數(shù)字電位器阻值來改變反激式開關(guān)電源反饋電壓從而改變輸出電壓的大小，使電源的輸出電壓范圍調(diào)整極其方便。本開關(guān)電源輸出電壓可通過按鍵、USB總線等控制，并且輸出電壓可斷電記憶，控制方式也很容易擴(kuò)展(如擴(kuò)展RS 232總線控制方式等)。輸出電壓范圍15～30V，最大電流可達(dá)5A，最小調(diào)節(jié)值1V。

1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
    如圖1所示，市電通過濾波后整流得到波動較大的直流電。電壓變換電路將高壓直流電轉(zhuǎn)換為期望得到的直流電壓。使用過程中通過鍵盤或者USB口對輸出電壓進(jìn)行預(yù)設(shè)，單片機(jī)將輸出電壓運算為反饋電阻值從而輸出控制信號控制數(shù)字電位器電阻值改變?yōu)橛嬎阒?，進(jìn)而改變控制電路反饋端電壓?？刂齐娐穼⒎答侂妷号c基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，改變PWM波形的占空比，完成輸出電壓的調(diào)整。

    圖中光電隔離實現(xiàn)了電路輸入／輸出端隔離，使輸出端對地較低電位從而保證輸出直流電壓負(fù)極對人體安全。控制電路選用UC3842，價格便宜，可靠性高。單片機(jī)選用AT89S51，其鍵盤電路以及顯示電路非常成熟，在此不再贅述，僅在后文中介紹部分控制方式的接口電路。[!--empirenews.page--]

2 硬件電路設(shè)計
2．1 電壓變換主電路設(shè)計
    圖2所示為電壓變換電路及部分保護(hù)電路，其主要由高頻變壓器T、MOSFET開關(guān)管Q1、電流測量電阻R2、肖特基二極管D5、濾波電感L3和濾波電容C3組成。對于變壓器T1，N1為輸入繞組、N2為輸出繞組、N3為給UC3842提供工作電壓的自饋繞組(自饋繞組在后文提到的UC3842供電電路圖3(a)方案中可省去)。

    Q1的門極經(jīng)過門極保護(hù)電路后受控于UC3842的輸出控制引腳(即引腳6)。在電壓變換過程中如果輸入電壓改變，則UC3842輸出PWM占空比改變，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的效果。
    濾波電容C3起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。由于可調(diào)電源通常用于實驗室，因此對開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)要求較高。本設(shè)計通過采用多個SP電解電容并聯(lián)組成大電容的方式降低電容ESR對輸出電壓的影響，不僅能降低紋波電壓并且可以提高瞬態(tài)響應(yīng)。[!--empirenews.page--]
2．2 控制部分供電電路設(shè)計
    控制部分供電主要分為UC3842供電以及單片機(jī)系統(tǒng)供電。這里僅介紹UC3842的供電。
    在以往的經(jīng)典設(shè)計中，UC3842的供電通常分為啟動供電和自饋供電兩部分。啟動供電是電源剛開機(jī)時由市電整流、電阻限流后提供給UC3842一大于16V的電壓。UC3842一旦開始穩(wěn)定工作，啟動供電電路就基本停止工作轉(zhuǎn)由自饋線圈直接提供15V左右電壓的供電。
    本設(shè)計中，由于輸出電壓變化較大，導(dǎo)致自饋線圈輸出電壓變化范圍也比較大，不能直接作為UC3842的供電電源。在設(shè)計過程中筆者對如圖3所示的兩種方案進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)均能滿足設(shè)計要求。
    其中圖(a)先通過變壓器將220V交流電變壓為一低電壓，然后整流、濾波得到25V直流電壓。在開機(jī)時，25V直流電壓經(jīng)TL431穩(wěn)壓到17V；單片機(jī)檢測到UC3842正常工作后，通過程序改變數(shù)字電位器R8的阻值，使TL431輸出電壓穩(wěn)壓到15V。
    圖(b)電路中，UC3842的啟動供電很常見，不做詳細(xì)說明。UC3842正常工作后，自饋線圈N3產(chǎn)生17～34V的電壓。由于自饋電壓變化很大，限流電阻R5無法選取滿足TL431在所有自饋電壓范圍內(nèi)工作。在自饋電壓較高時TL431將該電壓變換為15V后供電給UC3842 自饋電壓低至TL431不能實現(xiàn)穩(wěn)壓時，由電阻R5和R6、R7分壓后給UC3842供電。
    由上文可知，圖3(a)電路需要單獨的變壓電路以及整流電路，電源的體積、重量都較大；(b)電路需要增加一個副邊繞組，變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時漏感也相應(yīng)增大。總的來說(b)電路更適合本設(shè)計。但是如果繼續(xù)增大輸出電壓的調(diào)整范圍，或電源輸出最大電壓和最小電壓的比值m很大時，可以看出來自饋繞組的電壓變化范圍為17V～m×17V。此時很難找到合適的穩(wěn)壓器件為UC3842提供工作電壓，此時(b)電路將不再適用。
2．3 高頻變壓器設(shè)計
    高頻變壓器的設(shè)計是開關(guān)電源設(shè)計的核心。假定變壓器副邊效率為典型的85％，則查表選取西門子N27硅鐵氧體E55型磁芯。
    電流臨界連續(xù)原邊電感值為：
    其中，Uinmin為變壓器原邊最小直流電壓，本設(shè)計中Uimnin=200×1．3=260V；Ts為開關(guān)周期，本設(shè)計選擇Ts=33μs：Tonmax為開關(guān)管一周期內(nèi)導(dǎo)通的最大時間，本設(shè)計中Tonmax=15 μs；Pomin為輸出最小功率，本設(shè)計中Pomin=3×15=45W；η為變換效率，本設(shè)計中假定η=85％。則Lpmin=4．4μH。
    高頻變壓器原邊繞組最少匝數(shù)為：
    其中△Bac為最大ac磁通密度，根據(jù)查表以及經(jīng)驗選擇△Bac=0．220T；Ae為磁芯最小橫截面積，查表知Ae=353mm2。則Np(min)=50．2，在這里取原邊繞組Np為51匝。
   
    其中Uo為輸出電壓，這里取最大值30V；UD為輸出整流二極管正向?qū)妷?，這里取0．7 V；Toffmin+Tonmax=Ts，這里Toffmin=18μs。則N2=7．22匝，通過驗證取8匝能達(dá)到很好的效果。[!--empirenews.page--]
2．4 保護(hù)電路設(shè)計
    在開關(guān)電源電路中，電壓變換主回路通常比較簡單。保護(hù)電路不僅在整個電路中占很大部分，且在開關(guān)電源中的作用也不可忽視。
    如圖3中，R1，C4，D6組成RCD箝位電路，防止因開關(guān)管忽然關(guān)斷由于漏感而產(chǎn)生高電壓；C5，R3，D7組成RCD緩沖電路，吸收開關(guān)管Q1導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間的較高浪涌尖峰電壓。
2．5 輸出電壓調(diào)節(jié)即反饋電路設(shè)計
    如圖4所示，R23為數(shù)字電位器。R23電阻值的改變會引起反饋電壓的改變，反饋信號經(jīng)UC3842的2腳送到其內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈沖調(diào)制電路，從而對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制。在初始狀態(tài)時，輸出電壓為最高電壓30V；當(dāng)需要減小輸出電壓時，單片機(jī)重新設(shè)置數(shù)字電位器為一較大阻值，從而增大反饋電壓相對于輸出電壓的比例，反饋電壓增大，則UC3842取樣電壓升高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖寬度變窄，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在較低值。實際應(yīng)用中也可通過選用帶記憶功能的數(shù)字電位器實現(xiàn)電壓記憶功能。

3 基于USB的數(shù)控通信接口設(shè)計
    數(shù)控通信方式已驗證有多種可行方案，由于篇幅有限在本文中僅僅介紹基于USB總線的一種數(shù)控方式。
    USB(通用串行總線)其安裝簡單，支持即插即用、熱插拔、多設(shè)備并聯(lián)，并可提供較大的帶寬。由于以上優(yōu)點，現(xiàn)在已成為計算機(jī)對外設(shè)的主要通信端口。在數(shù)控開關(guān)電源中使用USB總線可有效擴(kuò)展電源的使用范圍。
    在本設(shè)計中使用了南京沁恒電子有限公司的CH372，該芯片外圍元器件簡單，使用方便，驅(qū)動程序以及DLL動態(tài)鏈接庫也已提供。圖5為單片機(jī)和CH372的接口電路。
    圖5單片機(jī)和CH372接口電路

    CH372接收到USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，鎖存USB緩沖區(qū)，同時設(shè)置INT#引腳為低電平。單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取中斷狀態(tài)，并讀取數(shù)據(jù)或指令。
    單片機(jī)通過CH372發(fā)送數(shù)據(jù)時；首先向CH372寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，CH372等待USB主機(jī)讀取數(shù)據(jù)后即鎖定USB緩沖區(qū)并拉低INT#引腳。

4 結(jié)束語
    本方案已通過大量試驗證明其可行性。少量更換電路器件后可實現(xiàn)電壓更大范圍的調(diào)節(jié)，具有很好的擴(kuò)展可能。