劉 釗，楊進(jìn)華

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022)

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8V DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。

調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓U0=8.0±0.4V。額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于60%。

設(shè)計思路:如圖1所示，設(shè)計分為硬件部分和軟件部分。硬件部分采用TL494產(chǎn)生PWM，來控制Buck電路的場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，經(jīng)過反饋，從而控制輸出電壓。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，R3為負(fù)載電阻，R1和R2構(gòu)成串聯(lián)分壓取樣，將取得的電壓反饋回來通過單片機(jī)的AD進(jìn)行采集從而構(gòu)成閉環(huán)控制。軟件部分通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM低通濾波后給模塊提供控制電壓，從而對硬件進(jìn)行控制。

圖1 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 BUCK電路結(jié)構(gòu)框圖

TL494輸出PWM端后級接上一個小的推挽輸出電路，然后再連上MOSFET管的柵極。如圖2所示，后級使用了典型的BUCK電路，降壓效率高，控制方便。

采用電流檢測芯片MAX472來實(shí)現(xiàn)高精度電流采樣。單片機(jī)輸出PWM低通濾波后輸出，成本低，控制快，線性度底，容易控制。大功率肖特基二極管MBR10200。MBR10200最大整流電流為10A，最大反向電壓為200V，價格便宜，反向恢復(fù)速度快，噪聲低。用Nokia5110液晶顯示屏顯示參數(shù)。Nokia5110液晶顯示屏能顯示測試參數(shù)，屏幕小巧，省電，顯示中文字時需要自己提取字模。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 TL494 芯片

TL494是一種恒頻脈寬的調(diào)制控制器，推挽/單端輸出，工作頻率為1～300kHz，輸出電壓可達(dá)10V，內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，振蕩器可外同步，死區(qū)時間可以調(diào)整，輸出級的拉灌電流可達(dá)200mA。

2.2 Buck電路

TL494產(chǎn)生的PWM后經(jīng)過一對互補(bǔ)配對的三極管推挽輸出后進(jìn)入Buck電路。當(dāng)PWM控制場效應(yīng)管打開時，24V電源給電感L1和電容C3充電，同時也給后面的電路供電;當(dāng)PWM控制場效應(yīng)管關(guān)閉時，L1和C3放電來維持后面電路的供電，按照這個過程循環(huán)下去，得到的是一個可以控制的直流信號。本系統(tǒng)采用的是電感電流連續(xù)模式。Buck電路又稱為降壓變換器電路，如圖3所示。

圖3 Buck電路

Buck電路分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流不連續(xù)工作模式。

連續(xù)工作模式:當(dāng)開關(guān)管打開時，這時等效電路圖如圖4(a)所示，電感電流iL=iS≠0流過電感線圈L，在電感未飽和前，電感處于充電狀態(tài)，電流線性增加。流過負(fù)載R的電流為I0，兩端輸出電壓為V0，極性為上正下負(fù)。當(dāng)iL＞I0時，電容在充電狀態(tài)。這時二極管D1在承受反向電壓。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，這時等效電路圖如圖4(b)所示，iS=0，由楞次定律可知電感線圈L將改變線圈兩端的極性，以保持iL的不變。這時負(fù)載R的極性仍是上正下負(fù)，電感在放電狀態(tài)。當(dāng)iL＜I0時，電容處于放電狀態(tài)，以維持I0、V0不變。這時二極管承受正向偏壓構(gòu)成通路，故稱該二極管為續(xù)流二極管。等到下一個周期到來時開關(guān)管打開，電感又開始充電。由于該電路輸出電壓V0小于電源電壓VS，所以稱它為降壓變換器。

圖4 等效電路圖

不連續(xù)工作模式:當(dāng)開關(guān)管打開時，這時電感電流iL=iS=0流過電感線圈L，在電感未飽和前，電感處于充電狀態(tài)，電流線性增加。流過負(fù)載R的電流為I0，兩端輸出電壓為V0，極性為上正下負(fù)。當(dāng)iL＞I0時，電容在充電狀態(tài)。這時二極管D1在承受反向電壓。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，這時iS=0，電感線圈L改變線圈兩端的極性，以保持iL的不變。這時負(fù)載R的極性仍是上正下負(fù)，電感在放電狀態(tài)。當(dāng)iL＜I0時，電容處于放電狀態(tài)，以維持I0、V0不變。這時二極管承受正向偏壓構(gòu)成通路。等到下一個周期到來時開關(guān)管打開，電感又開始充電。波形如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

通過分析發(fā)現(xiàn)，可以在保持輸出電壓不變的情況下，通過改變負(fù)載電阻的方式，來調(diào)節(jié)輸出電流總和及輸出電流I1、I2的比例，或者通過設(shè)定I1、I2的比例，然后通過調(diào)節(jié)電阻來調(diào)節(jié)輸出的電流值，因此，需采用兩種不同的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。除負(fù)載電阻由手動設(shè)定電流比例外，其余部分不允許手動干預(yù)，所以本方案采取通過設(shè)置外部中斷，由旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)調(diào)節(jié)I1、I2的比例因數(shù)時觸發(fā)中斷，在中斷之中切換模式。

軟件流程圖如圖6所示。

圖5 Buck電路兩種工作模式波形圖

圖6 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)測試儀器與方法

系統(tǒng)測試主要儀器有數(shù)字式萬用表DT9205，以及一個5位半的高精度電壓表和一個10毫歐的精密電阻。

首先利用10毫歐的精密電阻作為采樣電阻，用于采集干路和支路的電流，用5位半的高精度電壓表就能測出很高精度的電流。本電路使用這種高精度的測量方法用于校準(zhǔn)輸出電流與控制輸出的關(guān)系，從而達(dá)到高精度的輸出。

4.2 測試結(jié)果

通過測試，達(dá)到的指標(biāo)和完成的功能如表1所示。

表1 完成的功能和達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

(1)本系統(tǒng)中的DC/DC模塊具有較高的效率，額定負(fù)載時為82.5%;

(2)采用了單片機(jī)STM32產(chǎn)生PWM來提供基準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可控性;

(3)采用由外部硬件采集電流，由軟件來判斷實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

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