在線可調(diào)電源模塊的設計與實現(xiàn)

印 月，王 棟，高 策，舒 心，樊金柱，田 宇

(1.四川大學 電氣信息學院電工電子基礎教學實驗中心，四川 成都 610065；2.四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065)

為推動高等學校促進信息與電子類學科課程體系和課程內(nèi)容的改革，有助于高等學校實施素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學生的實踐創(chuàng)新意識與基本能力、團隊協(xié)作的人文精神和理論聯(lián)系實際的學風，四川大學定期開展 “大學生創(chuàng)新活動”，培養(yǎng)學生工程實踐的素質(zhì)、提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力。

目前，在實驗課程中學生所使用的儀器，包括函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、萬用表都是分開的單獨的儀器設備，體積大，受實驗時間與地點的限制影響很大，極不利于自主實驗探究。而 “口袋實驗室”憑借其輕便的裝置與簡潔的優(yōu)勢，能夠讓實驗實現(xiàn) “anywhere and anytime”，從而使學生獲得更多的實驗機會與樂趣，也為學生的創(chuàng)新探索提供了廣闊的平臺。

“口袋實驗室”是一款方便在更靈活的時間與地點進行實驗的模擬電路實驗設備，分為硬件和軟件兩部分。硬件部分將電源、信號源、示波器和萬用表等模塊集成一體，軟件部分將硬件檢測并采集到的信息數(shù)據(jù)顯示到電腦界面，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)參數(shù)的實時監(jiān)測與控制。“口袋實驗室”的設計主要分為電源、儀器儀表、軟件界面3個部分。本文主要介紹電源模塊的設計與搭建，使其作為其他模塊的可控供能裝置，具有更好的可視性、便攜性與可操作性。

在線可調(diào)電源模塊主要利用USB數(shù)據(jù)線與學生個人電腦連接，通過對電腦界面中的 “口袋實驗室的儀器操作平臺”中的電源模塊控制界面的參數(shù)設置，實現(xiàn)對電源硬件部分的實時調(diào)控以及對其他模塊的供能。電源模塊由單片機進行操作與顯示來驗證電路的可行性，不涉及軟件編程部分，主要包括固定電源和可調(diào)電源兩個部分。本文主要實現(xiàn)以DC－DC降壓電路為基礎，在自然環(huán)境溫度(0～40℃)下，得到可調(diào)輸出電壓0～19 V，功率15 W，步進電壓0.1 V，并能以數(shù)字方式顯示的在線可調(diào)電源。

1 固定電源的設計

1.1 固定電源的設計基本原理

固定電源主要為單片機或DSP等不需要過高功率的模塊和器件提供穩(wěn)定可靠的5 V以及3.3 V電源。在固定電源設計中本小組選用了AMS1117穩(wěn)壓電路。ASM1117為正電壓輸出的三端線性穩(wěn)壓電路。在輸出1 A電流時，輸入輸出的電壓差典型值為1.8 V。AMS1117分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出兩個版本，固定輸出版本的輸出電壓可以為1.8 V、3.3 V或5.0 V，可調(diào)電壓輸出版本能提供的輸出電壓范圍為1.8 V～5.5 V。AMS1117內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AMS1117是一個低漏失電壓調(diào)整器，它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個PNP驅動的NPN管組成的，漏失電壓定義為VDROP=VBE＋VSAT。為了確保AMS1117的穩(wěn)定性，對可調(diào)電壓版本，輸出需要連接一個至少22 μF的鉭電容。對于固定電壓版本，可采用更小的電容，具體可以根據(jù)實際應用確定。通常，線性調(diào)整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流的增加而降低。

固定電源部分設計原理圖如圖1所示，12 V的輸入電壓經(jīng)過兩級電容濾波，傳輸?shù)紸MS1117進行降壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓二極管和LC濾波器穩(wěn)壓得到5V電壓。5 V電壓又可以作為輸入電壓經(jīng)過類似的AMS1117穩(wěn)壓電路得到3.3 V電壓，電路圖與圖1類似。

圖1 AMS1117穩(wěn)壓電路圖

1.2 固定電源的設計小結

按照圖1的AMS1117穩(wěn)壓電路進行設計，經(jīng)實際電路測試，測試結果為空載時，當輸入12 V模擬電壓，測得兩路輸出電壓為5.0 V和3.3 V；負載為50 Ω(滑動變阻器)時，最大輸出電流可以達到560 mA，紋波在15～25 mV間變化。設計結果可以滿足基本功率要求。

2 可調(diào)電源的設計

在可調(diào)電源設計中，以DC－DC降壓斬波電路為核心，采用TL494固定頻率脈寬調(diào)制芯片產(chǎn)生PWM波，進行閉環(huán)反饋控制，以IR2111芯片作為驅動，從而實現(xiàn)電路穩(wěn)壓輸出。

2.1 主電路設計原理

可調(diào)電源設計為一個DC－DC降壓器，該電路由主電路、閉環(huán)反饋回路、單片機采樣顯示及控制電路、輔助電源組成，主電路為buck拓撲結構。即在一個控制周期開始時刻，驅動開關S使其導通，則二極管D承受反向電壓處于截止狀態(tài)。此時電源向負載輸出能量，電感L儲存能量，由于L的存在，使負載電流按指數(shù)規(guī)律緩慢上升。到某個時刻，開關S關斷，則直流電源與負載端開，由于電感儲存的能量需要釋放，所以二極管D承受正向電壓導通，負載電流經(jīng)D續(xù)流，此時電流按指數(shù)規(guī)律下降[1－3]。

一般情況下，都要求額定負載時電路工作在電流連續(xù)模式。降壓型斬波電路負載電壓平均值為:

式中，ton為開關S開通時間，D為占空比。

在電流連續(xù)工作模式下，降壓型斬波電路可以看作為一個直流降壓變壓器，其等效變壓比可通過調(diào)節(jié)占空比在0～1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

實際中電路是在原有理論buck電路中加入電容和滑動變阻器，如圖2所示。從電路可以看出，電感L1和電容C1～C4組成低通濾波器，此濾波器設計的原則是使開關管輸出電壓的直流分量可以通過，而抑制諧波分量；電容上輸出電壓就是開關管輸出電壓的直流分量(含微小紋波)。滑動變阻器將輸出電壓分壓，作為反饋電壓反饋給控制電路。

圖2 主電路

2.2 控制及驅動電路

在可調(diào)電源電路設計中，閉環(huán)反饋選用由TL494控制，通過調(diào)節(jié)PWM波占空比，使輸出電壓或電流穩(wěn)定。TL494的集電極或發(fā)射極輸出經(jīng)IR2111變?yōu)橐唤M反相PWM驅動開關管。單片機經(jīng)精密采樣電阻采集電流信息，輸入到單片機中進行運算從而顯示，同時通過單片機DA模塊改變TL494的參考電壓改變電壓[4－8]。

對TL494脈寬調(diào)節(jié)的原理的控制過程:首先振蕩器DTC產(chǎn)生固定頻率的鋸齒波送到PWM比較器的反相輸入端2IN－，脈沖調(diào)寬電壓輸送至PWM比較器的同相輸入端2IN＋.兩電壓信號進行比較，當脈寬調(diào)節(jié)電壓變化時，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，通過改變開關管的導通和關閉時間達到調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓的目的。

TL494輸出PWM聯(lián)接驅動芯片IR2111的IN，則可以得到HO和LO兩路PWM，如圖3所示。HO和LO的PWM占空比互補，并且在TL494輸出基礎上抬高電壓，接如圖2所示其中VS主電路中的VS。

圖3 IR2111驅動電路

2.3 元件的選擇

1)降壓電感

要使電感上電流連續(xù)，需要

即若要求15%負載時電路仍處于CCM狀態(tài)，則同時額定輸出時需控制電感紋波電流為平均電流的10%～20%，

2)濾波電容

該電容選擇主要是要滿足輸出電壓保持時間。升壓時，要求在保持時間內(nèi)電壓不低于30 V，此時電容容量為:

若要使輸出電壓紋波小于0.1 V，由:

降壓時，要使輸出電壓紋波小于0.1V，由:

因此 Cout2＞111 μF。

3)功率開關器件

開關管要求工作在80 kHz，選取IRF3205，其擊穿電壓Vdss為55 V，最大電流Id=110A，導通電阻Rds(on)=80 mΩ，上升時間18 ns，可滿足設計要求[9－11]。

2.4 可調(diào)電源的設計小結

可調(diào)電源電路測試結果:可調(diào)負載0～50 Ω時，主電路輸入24 V直流電源，輸出電壓為4～23 V可調(diào)，步進值為0.1 V；輸入電壓改變時，可以實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，最大輸出電流可以達到2.5 A。紋波電壓25～50 mV。作為小功率電源滿足穩(wěn)壓和功率的需求，但在紋波上有待提高。

3 結束語

本文設計制作的電源模塊，其固定電源和可調(diào)電源均滿足指標。固定電源利用AMS1117降壓芯片輸出5 V和3.3 V；可調(diào)電源為DC－DC降壓電路，可調(diào)負載0～50 Ω時，主電路輸入24 V直流電源，輸出電壓為4～23 V可調(diào)，步進值為0.1 V。二者電壓和功率均能滿足設計要求，可以用于 “口袋”實驗室電源模塊，支持 “口袋”實驗室主電路的工作，也可作為其他設計電路的電源部分。但二者的紋波電壓不夠理想，有待改進。電源模塊硬件電路及單片驗證展示如圖4所示。

圖4 “口袋”實驗室電源模塊硬件電路實物展示

通過本次 “大創(chuàng)”活動，拓展了本小組成員的知識面，激發(fā)了小組成員對實驗的興趣，鍛煉了小組成員的綜合技能，并為今后專業(yè)課學習打下了堅實的基礎。尤其在單片機的編譯設計過程中，本小組成員通過獨立學習、討論等開放性學習模式，掌握了單片機編程技術。該項目是將經(jīng)典穩(wěn)壓電源設計結合最新電子信息技術的發(fā)展，實驗內(nèi)容貼近平時的專業(yè)課學習，貼近實際電路，讓小組成員真正將理論與實際相結合，緊跟未來電子信息技術發(fā)展潮流。

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