基于Buck變換器的步進式開關(guān)電源分析

梁毅

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)日新月異，開關(guān)電源在航空航天、計算機、儀器儀表、通信及家用電器等方面得到廣泛應(yīng)用。研究步進式開關(guān)電源電路，可使輸出電壓按一定的步進值調(diào)整，并且輸出電壓、電流精度高，電源轉(zhuǎn)換效率高。該文介紹了一種以Buck變換器為基礎(chǔ)的步進式開關(guān)電源。給出了Buck轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計原理圖，詳細分析和介紹了步進式電壓調(diào)整的電路設(shè)計方法和步進調(diào)壓程序。

關(guān)鍵詞：Buck變換器 步進 開關(guān)電源

中圖分類號：TM46 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0030-02

1 硬件電路設(shè)計

1.1 Buck轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計

Buck轉(zhuǎn)換器是該開關(guān)電源中最重要的部分。降壓轉(zhuǎn)換器選用XL4015開關(guān)降壓型DC-DC芯片，固定開關(guān)頻率為180 kHz。該芯片具有出色的線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率，輸出電壓支持1.25～32 V間任意調(diào)整，最大輸出電流5 A，且芯片集成了過流保護、過壓保護、短路保護等保護電路。其原理圖如圖1所示。

XL4015芯片的5腳為電壓輸入端；4腳為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)端，需要接一個旁路電容；3腳為功率輸出端；2腳為反饋端；1腳為接地端。輸入端需要并聯(lián)電解電容以消除噪聲。由于輸入電壓近30 V，考慮各種因素，選擇50 V，220 μF的固態(tài)電容，并且再并聯(lián)一個瓷片電容以進行高頻去耦。假設(shè)輸出電壓最大20 V，為留有裕量，也選擇50 V，220μF的固態(tài)電容，并且再并聯(lián)一個瓷片電容加以配合。因為電感器對輸出紋波有著直接的影響，通過計算選擇47μH的電感。輸出電壓可調(diào)依靠反饋電阻R1，R2的比值，其公式為1.25×（1+R2/R1），R2為可調(diào)電位器，R1為固定阻值電阻。通過調(diào)節(jié)R2即可調(diào)節(jié)輸出電壓。電路中設(shè)計了輸出指示燈，通過指示燈亮度可以得知輸出電壓值的大致大小。

1.2 步進電壓電路設(shè)計

如果輸出電壓為0.2 V步進值，并且要求使用鍵控，首先排除機械電位器。若使用數(shù)字電位器，其種類較多，精度也各不相同，最后經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)使用開關(guān)使相應(yīng)電阻短路或接入就能實現(xiàn)反饋阻值的變換，實現(xiàn)了電壓值的步進。

步進電路由9個電阻，8個開關(guān)組成。當(dāng)所有開關(guān)閉合時，從R2到R9，8個電阻全部短路。當(dāng)任意開關(guān)斷開，則相對應(yīng)的電阻接入電路中。R1是一個基準(zhǔn)值的電阻，假設(shè)電壓輸出為5 V起始。這個條件則由R1來完成，將R1調(diào)整到降壓模塊輸出5 V。設(shè)輸出要求5～20 V，步進值0.2 V，整個可調(diào)輸出值的數(shù)量為76個，即步進76步。通過分析和計算，將調(diào)整R2為0.2 V，R3為0.4 V，R4為0.6 V，R5為0.8 V，R6為1 V，R7為2 V，R8為4 V，R9為8 V。當(dāng)需要5.2 V時，只需斷開開關(guān)S1，其他開關(guān)全部閉合。當(dāng)需要13.6 V時，只需斷開S3和S8開關(guān)。當(dāng)需要20 V時，只需斷開S5、S6、S7和S8四個開關(guān)即可實現(xiàn)。其實質(zhì)原理為斷開某個或多個開關(guān)，就是將該開關(guān)對應(yīng)電阻上的電壓值加入輸出電壓中，通過不同的組合形成各個需要的電壓值，并實現(xiàn)步進功能。

由于各個電阻對應(yīng)的電壓值存在一定誤差，當(dāng)誤差累積后便使得輸出電壓值不是理想的。采用電位器進行任意值調(diào)整，通過多次測試可以將其誤差調(diào)整到最小。并且電路中所使用的開關(guān)為繼電器，通過單片機控制繼電器的吸合與斷開實現(xiàn)可開關(guān)功能。

1.3 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

開關(guān)電源需具備輸出端電壓、電流的實時檢測，則需A/D轉(zhuǎn)換器來接收和轉(zhuǎn)換信號。ADC0809為8位轉(zhuǎn)換器，TLC2543為12位轉(zhuǎn)換器，TLC2543轉(zhuǎn)換精度更高，所以選擇TLC2543轉(zhuǎn)換芯片。TLC2543A/D轉(zhuǎn)換芯片的外圍電路簡單，11路模擬輸入端口直接外接需要檢測的電壓、電流值。電源的正負(fù)極接一去耦電容，以減小輸入芯片的電源紋波。雖然外圍電路簡單，但因為是一片較為敏感的芯片，尤其是在高速轉(zhuǎn)換時，極易受到外界干擾使轉(zhuǎn)換值不準(zhǔn)確，這就要求PCB布線時其芯片底部盡可能不要有信號線或電源線接近。

2 步進控制程序設(shè)計

主控芯片選用AT89s52，由于一片主控芯片的控制口有限，不夠控制8路繼電器，故選用兩片AT89s52。通過兩片芯片的配合使用來完成步進控制。步進控制程序部分如圖2所示。

當(dāng)外部按下確認(rèn)按鍵時，程序進入步進控制。每增加0.2 V的電壓值，P2口輸出變化一次，以控制繼電器通斷。當(dāng)要輸出5 V時，P2口輸出全部為“1”，即0xff，全為高電平。當(dāng)輸出6.6 V時，P2口輸出為0xeb，即高四位中的第一位為低電平，低四位中第三位為低電平，高低位剩下的全為高電平即可實現(xiàn)。其他電壓值以此類推，能實現(xiàn)5～20 V的步進輸出，步進數(shù)量為76步。

步進的加減在中斷里面實現(xiàn)，在中斷中執(zhí)行步進的加減控制可以提高單片機的工作效率，并且中斷程序有優(yōu)先級，可以提高控制的靈敏性。加減控制是在需要時打開外部中斷就能進行，也可關(guān)閉中斷使步進控制失效。

3 結(jié)語

通過Buck變換器把交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電，輸出直流電壓范圍較寬，實現(xiàn)5～20 V步進調(diào)壓，步進值0.2 V。通過分析、比較采集的電壓、電流數(shù)據(jù)可知，電壓和負(fù)載調(diào)整率非常小，輸出電壓非常穩(wěn)定，并且采用此方法設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換效率較高。

參考文獻

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