摘 要：在使用電池供電的便攜設(shè)備中，很多時(shí)候是通過直流升壓電路獲得所需要的高電壓（例如照相機(jī)中的閃光燈）。本次設(shè)計(jì)要求是將電池的電能轉(zhuǎn)化為恒流輸出，設(shè)計(jì)核心部分為DC/DC穩(wěn)流電壓變換器，DC/DC電壓變換完成不同直流電壓值的變換，電壓變換后通過恒流控制電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出。本設(shè)計(jì)電路由DC/DC電壓變換模塊、控制模塊、模式選擇電路、恒流控制模塊、保護(hù)電路、報(bào)警電路等組成。

關(guān)鍵詞：直流升壓電路；DC/DC；恒流輸出

1 概述

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)LED閃光燈電源。該電源的核心為直流-直流穩(wěn)流變換器，它能將電池的電能轉(zhuǎn)換為恒流輸出，驅(qū)動(dòng)高亮度白光LED，設(shè)計(jì)的電源同時(shí)具有升壓、恒流兩種功能。升壓部分通過DC/DC實(shí)現(xiàn)，升壓后的輸出電流易受干擾不穩(wěn)定，需要設(shè)置穩(wěn)流控制電路。整個(gè)電路具有兩種輸出模式，一種連續(xù)輸出模式，一種脈動(dòng)輸出模式，電流大小可設(shè)定不同的控制檔位，負(fù)載電阻變大，當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值時(shí)有過壓保護(hù)和報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)的DC/DC恒流變換器能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出電流200mA輸出電壓10V時(shí)輸出效率應(yīng)高于80%。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)㈦姵氐妮斎腚妷哼M(jìn)行升壓，升壓后通過進(jìn)入模式選擇電路，由主控系統(tǒng)控制模式選擇，選擇模式后進(jìn)入恒流控制電路，經(jīng)過恒流的電流最后輸入到負(fù)載端，負(fù)載端接取樣電路；當(dāng)負(fù)載變化造成電壓超出限定幅值時(shí)，取樣電路取樣后送控制保護(hù)電路同時(shí)發(fā)出警報(bào)。電路框圖如圖1所示。系統(tǒng)核心部分為DC/DC變換器，輸入電源一路經(jīng)過DC/DC變換器升壓后進(jìn)入模式選擇模塊，用戶通過按鍵控制主控電路切換不同輸出模式，選擇后電流通過恒流控制電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出，最后輸出接入負(fù)載，輸入電源另一路經(jīng)過變壓后作為輔助電源給整個(gè)設(shè)計(jì)電路供電。主控電路由主控芯片與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，實(shí)現(xiàn)通過軟件對(duì)硬件電路調(diào)控。

2.2 DC/DC電源變換器設(shè)計(jì)

DC/DC電源變換器框圖如圖2所示。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量從輸入電源流入，并儲(chǔ)存于電感L中，由于開關(guān)管導(dǎo)通期間正向飽和管壓降很小，故這時(shí)二極管VD反偏，負(fù)載由濾波電容C供給能量，將C中儲(chǔ)存的能量釋放給負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感L中電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)阻止電流減小，二極管VD導(dǎo)通，電感中儲(chǔ)存的能量以及輸入電壓通過二極管VD、給電容C充電，并供給負(fù)載。

在開關(guān)管導(dǎo)通的ton期間，能量?jī)?chǔ)存在電感L中，在開關(guān)管截止的toff期間，電感L釋放能量，補(bǔ)充在ton期間電容C上損失的能量。開關(guān)管截止時(shí)電感L上電壓跳變的幅值是與占空比有關(guān)的，ton愈長(zhǎng)，L中峰值電流大，儲(chǔ)存的磁能愈大。[1]所以，如果在ton期間儲(chǔ)存的能量要在toff期間釋放出來，那么L上的電壓脈沖必定是比較高的。假定開關(guān)管沒有損耗，并聯(lián)變換器電路在輸入電壓Ui、輸入電流Ii下，能在較低的輸出電流I0下，輸出較高的電壓U0。

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，忽略管子的導(dǎo)通壓降，電感L上的電壓為輸入電壓Ui，并且電流線性上升，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，則L中的電流線性下降，而在穩(wěn)態(tài)，ton期間L中電流的增量應(yīng)等于toff期間電流的減量，則輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系由下式?jīng)Q定：

2.3 恒流控制電路

恒流控制電路采用場(chǎng)效應(yīng)管、集成運(yùn)放OP07、電壓反相器組成。其中，場(chǎng)效應(yīng)管的漏極D與DC/DC電壓輸出端相連，柵極G與集成運(yùn)放輸出端相連[2]。利用電壓反相器使集成運(yùn)放的四號(hào)引腳為負(fù)電壓，從而保證集成運(yùn)放能夠輸出負(fù)電壓控制場(chǎng)效應(yīng)管斷開。在場(chǎng)效應(yīng)管源極S串接一個(gè)電壓采樣電阻將電壓反饋到集成運(yùn)放負(fù)向輸入端，當(dāng)輸出負(fù)載端電流減小時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管源極電位減小，集成運(yùn)放負(fù)向輸入端電壓減小，使集成運(yùn)放輸入電壓增大，輸出電壓增大，場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓增大，從而使負(fù)載端輸出電流增大，反之當(dāng)負(fù)載輸出端電流增大時(shí)，通過電壓負(fù)反饋，又會(huì)使輸出電流減小，最終使負(fù)載輸出端恒流輸出。

2.4 報(bào)警電路與保護(hù)電路

當(dāng)主控芯片檢測(cè)到負(fù)載兩端電壓超過限定幅值時(shí)，主控芯片會(huì)控制三極管導(dǎo)通，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)；與此同時(shí)，主控芯片會(huì)控制場(chǎng)效應(yīng)管與繼電器同時(shí)斷開，這時(shí)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出不能傳到恒流控制電路，從而起到保護(hù)作用[3]。

3 程序流程圖

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路具有兩種輸出模式，一種連續(xù)輸出模式，一種脈動(dòng)輸出模式，電流大小可設(shè)定不同的控制檔位，負(fù)載電阻變大，當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值時(shí)有過壓保護(hù)和報(bào)警功能。[4]主控電路由主控芯片與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，通過編程實(shí)現(xiàn)通過軟件對(duì)硬件電路調(diào)控。程序流程圖如圖4所示。

4 測(cè)試結(jié)果

（1）電流測(cè)試：在電源輸出端串接萬用表（測(cè)電流）與滑動(dòng)變阻器，將滑動(dòng)變阻器調(diào)至50Ω，選擇100mA檔輸出時(shí)，記錄測(cè)量數(shù)值，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器并觀察電流是否變化。同理測(cè)試150mA和200mA電流檔。（2）效率測(cè)試：在LED閃光燈電源輸入端接入電源臺(tái)并串接一個(gè)萬用表（測(cè)電流），在LED閃光燈電源輸出端串接滑動(dòng)變阻器，將滑動(dòng)變阻器調(diào)至50Ω。計(jì)算公式η=POUT/Pin×100%。（3）脈動(dòng)輸出測(cè)試：在輸出端接入等效電阻，選擇脈動(dòng)輸出模式，設(shè)定周期并確定輸出，將示波器接地端接在輸出負(fù)端，示波器探頭接輸出正極，觀察示波器正占空比、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間并記錄。（4）測(cè)試數(shù)據(jù)。分別如表1-表3所示。

（5）測(cè)試結(jié)果分析：通過對(duì)測(cè)量結(jié)果分析，規(guī)定輸入電壓和輸出電壓范圍內(nèi)，誤差小于2%；輸入電流200mA，輸出電壓10V時(shí)，效率達(dá)到86%；脈動(dòng)輸出模式輸出占空比相對(duì)誤差小于2%；電流峰峰值相對(duì)誤差小于5%，滿足設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]何希才，張名莉.新型穩(wěn)壓電源及應(yīng)用實(shí)例[M].電子工業(yè)出版社，2004：1-54.

[2]段九州.電源電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002：1-41.

[3]程杰寶，實(shí)用高效率直流穩(wěn)壓電源[M].實(shí)用電子制作，2003：25-26.

[4]賀洪江.一種高精度數(shù)控直流電源的設(shè)計(jì)[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，1：33-39.

作者簡(jiǎn)介：趙曉瑩（1982-），女，安徽蕪湖人，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系講師，主要從事自動(dòng)控制及電力電子技術(shù)方面的研究。