基于開關(guān)Buck電路為前級高效線性程控輸出可調(diào)D C-D C電源的設(shè)計(jì)

董 敏

（南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 210000）

電源作為各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，穩(wěn)定性和高效性十分重要。線性穩(wěn)壓電源具有性能可靠、構(gòu)造簡單、紋波小、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，而缺點(diǎn)主要就是變換效率低，通常只能達(dá)到35%～60%。而開關(guān)電源具有效率高、功耗小的特點(diǎn)，缺點(diǎn)就是雖然效率高，但是紋波較大，不能滿足一些對精度要求高的場合。所以文章結(jié)合了開關(guān)電源和線性電源的優(yōu)勢，不僅彌補(bǔ)了線性電源效率的缺陷，還在開關(guān)電源的基礎(chǔ)上提高了穩(wěn)定性，不僅達(dá)到了節(jié)約電能的作用，也提高了輸出電能的質(zhì)量。此外，文章采用了“閉環(huán)跟蹤調(diào)壓”的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓，保證調(diào)節(jié)后能保證電源的高效性。

1 電源總體設(shè)計(jì)

本電源主要有變壓器、開關(guān)電源、線性穩(wěn)壓電源三大部分組成，首先通過變壓器并整流將市電變?yōu)榉递^低的直流信號，采用開關(guān)電源為前級，線性電源為后級的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)合了兩種不同類型電源的優(yōu)點(diǎn)，同時通過微控制器程控輸出調(diào)壓，以適應(yīng)不同壓值的輸出。

2 硬件設(shè)計(jì)

本電源的設(shè)計(jì)思路是首先通過大功率變壓器將220V的市電變?yōu)榈头档慕涣麟姡ㄟ^整流變?yōu)橹绷麟?，最后通過線性電源進(jìn)行降壓變?yōu)榭捎玫姆€(wěn)壓電。雖然線性電源輸出的紋波和毛刺較小，但是整體效率不是很高，所以在本電源的中間加入開關(guān)電源，使整體電源的效率得到大幅度的提升，同時輸出電壓的品質(zhì)有良好的品質(zhì)。同時，通過線性電源作為輔助電源解決方案。并通過微控制器的D/A轉(zhuǎn)換來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓和保護(hù)電流。

2.1 大功率變壓器

變壓器內(nèi)部原理圖如圖1所示，假設(shè)初級、次級繞組的匝數(shù)分別為N1、N2，當(dāng)變壓器的初級接到頻率為f，電壓為V1的正弦變流電源時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，鐵芯中的交變磁通φ將分別在一、二次繞組中感應(yīng)出電勢，一次繞組感應(yīng)電勢為：，式中的dΦ/dt為磁通量的變化率，負(fù)號表示磁通量增大時，電勢e1的實(shí)際方向與電勢的正方向相反。

圖1 變壓器內(nèi)部原理圖

2.2 BUCK型開關(guān)電源

BUCK型降壓斬波開關(guān)電源的基本工作原理。本電源采用BUCK型降壓斬波開關(guān)電源作為前級電路以提高電源的整體效率，Buck電路是由功率晶體管作為開關(guān)管Q與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成的。驅(qū)動信號周期控制功率開關(guān)晶體管Q的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時，如果忽略飽和壓降，輸出電壓Uo則等于輸入電壓；當(dāng)開關(guān)管Q截止時，如果忽略開關(guān)管的漏電流，輸出電壓則為0。

2.3 線性穩(wěn)壓型電源

（1）線性穩(wěn)壓電源電路的構(gòu)成。電路主要由調(diào)整管，穩(wěn)壓管和電阻構(gòu)成，電阻組成輸出電壓采樣電路，集成運(yùn)放作為比較放大電路，調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、采樣電路和比較放大電路是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的基本組成部分。

（2）線性穩(wěn)壓電源的基本工作原理。線性穩(wěn)壓電源的基本原理圖如圖2所示，線性穩(wěn)壓器一般有四個環(huán)節(jié)：調(diào)整環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓、比較放大器和取樣電路。當(dāng)輸入電壓和負(fù)載發(fā)生變化時，輸入電壓基本保持不變，其穩(wěn)壓的原理簡述如下：當(dāng)輸入電壓VIN增大時，或負(fù)載RL增大時，輸出電壓VOUT將隨之增大，則電壓比較器輸出電壓減小，則經(jīng)過三極管反向流過分壓管的電流增大，導(dǎo)致輸出電壓VOUT減小，因此輸出電壓可以基本不變。當(dāng)輸出電壓VIN減小時，或負(fù)載RL減小時，變化則與上述過程相反。

圖2 線性穩(wěn)壓電源基本拓?fù)湓韴D

（3）線性穩(wěn)壓電源中調(diào)整管的選擇。在線性穩(wěn)壓電源中，調(diào)整管作為核心元件，其安全工作是電路正常工作的保證。調(diào)整管常為大功率的晶體管，因而選用的原則主要考慮其極限參數(shù)ICM、U（BR）CEO和PCM。調(diào)整管極限參數(shù)的確定，必須考慮到輸出電壓VIN由于種種原因所產(chǎn)生的波動變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響。

2.4 輔助電源的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源采用UC3842芯片作為脈寬調(diào)制芯片，供給開關(guān)管Q開關(guān)信號，而芯片的供電電壓為15V。線性穩(wěn)壓電源采用了集成運(yùn)放作為反饋回路的重要元件，而集成運(yùn)放需要正負(fù)12V供電，所以需要通過輔助電源給上述器件供電，本電源采用三端集成穩(wěn)壓器作為輔助電源。

為了保證穩(wěn)壓性能，使用三端穩(wěn)壓器時，輸入電壓與輸出電壓相差至少2V以上，但也不能太大，太大則會增大器件本身的功耗以至于損壞器件。在輸入與公共端之間、輸出端與公共端之間分別接了0.1μF左右的電容，可以防止自激振蕩。

2.5 微處理器單元

本電源的微處理器芯片采用的是擁有ARM Cortex-M3架構(gòu)的Stm32處理芯片。在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)輸出電壓和保護(hù)電流，主要原理是通過微處理器的D/A功能來實(shí)現(xiàn)的。

（1）程控調(diào)壓的原理。圖3中接在輸出電壓端的分壓的兩個電阻功能是采集輸出電壓的幅值，通過一級跟隨器增加輸入電阻，減少輸出電阻。再通過比較器與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)進(jìn)行比較，通過運(yùn)放隨著輸出電壓變化而使輸出不斷地變化，而使調(diào)整管不斷地調(diào)整，直到輸出電壓穩(wěn)定到某一幅值，從而實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)電壓反饋穩(wěn)定幅值的目的。

圖3 閉環(huán)輸出反饋原理圖

而本電源通過微處理器D/A輸出電壓作為比較器的基準(zhǔn)，通過設(shè)置和改變D/A輸出來改變比較器的基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制，若電壓比較基準(zhǔn)減小，則輸出電壓幅值降低，若電壓比較基準(zhǔn)增大，則輸出電壓幅值也隨之增大，而圖中光耦的作用是用來對信號進(jìn)行光電隔離，確保電源的安全性和穩(wěn)定性。

（2）雙極跟蹤調(diào)壓。雖然線性電源輸出紋波較小，幅值較穩(wěn)定，但是由于是因?yàn)榫w管分壓的原理進(jìn)行穩(wěn)壓，所以線性電源的整體效率不多，而且分壓管分壓越多，效率也就越低，所以如果能很好地降低分壓晶體管所分的電壓值，則本電源的效率也會得到很好的保障。

基于以上分析，所以本電源采用開關(guān)電源作為前級進(jìn)行降壓，因?yàn)殚_關(guān)電源效率高、體積小、較輕便，但是紋波較大、噪聲大、穩(wěn)定性差。所以線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)可以互相彌補(bǔ)、取長補(bǔ)短。所以本電源采用了“雙極跟蹤調(diào)壓”方案。

圖4 雙極跟蹤調(diào)壓原理圖

如圖4所示，當(dāng)反饋回路的基準(zhǔn)電壓變化時，輸出電壓的幅值也會隨之變化。假設(shè)當(dāng)基準(zhǔn)電壓減小時，則輸出電壓幅值也會隨之減小，所以此時功率管的分壓降，則將BE端接在功率管兩端的三極管的BE端電壓升高，則相應(yīng)的三極管集電極電流增大，則流經(jīng)光耦發(fā)光二極管的電流增大，則光耦輸出電流增大，則開關(guān)電源中的脈寬調(diào)制芯片反饋電壓腳中的電壓升高，則開關(guān)脈沖信號占空比變小，所以開關(guān)電源的輸出電壓將減小，即線性穩(wěn)壓電源的輸入端將減小，從而使得線性穩(wěn)壓電源的輸出減小，同時開關(guān)電源的輸出也會隨之減小。當(dāng)基準(zhǔn)電壓增大時，變化則與上述過程相反。使分壓晶體管所分的電壓可以保持一個很小的數(shù)值，從而可以保持后級線性穩(wěn)壓電源的效率。

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