成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 干 娜 趙 敏 魏子萌

具有負(fù)載識(shí)別功能的D C-D C直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 干 娜 趙 敏 魏子萌

本系統(tǒng)介紹了一種DC-DC Buck同步整流變換器的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。通過LM5117芯片產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS管，利用反饋網(wǎng)絡(luò)控制PWM的占空比，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。當(dāng)電流超過3．2A時(shí)，單片機(jī)輸出信號(hào)給LM5117，使其啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制關(guān)閉輸出，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。在恒壓模式下輸出穩(wěn)定的5V電壓，滿載下效率高達(dá)91．6%；負(fù)載識(shí)別模式下，根據(jù)所接入的元件阻值調(diào)整系統(tǒng)的輸出電壓。

LM5117；負(fù)載識(shí)別；低壓大電流；同步整流

0 引言

本文提出一種具有負(fù)載識(shí)別功能的DC-DC直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在保證開關(guān)電源紋波、效率、重量、輸出穩(wěn)定度、負(fù)載穩(wěn)定度等性能指標(biāo)處于優(yōu)良的情況下，使其具有負(fù)載識(shí)別功能，由按鍵實(shí)現(xiàn)恒壓與負(fù)載識(shí)別模式的切換。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由硬件部分和控制部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

硬件部分主要由LM5117及其外圍電路、自舉電路、MOS管驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、負(fù)載識(shí)別電路構(gòu)成，采用LM5117同步降壓芯片產(chǎn)生PWM波控制MOS場(chǎng)效應(yīng)管的通斷來驅(qū)動(dòng)DC-DC模塊，調(diào)節(jié)輸出電壓的高低達(dá)到恒壓輸出的目的；利用NE5532運(yùn)放搭建恒流源和電壓調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別。具體實(shí)現(xiàn)方式為：輸出信號(hào)通過電阻精確分壓送到LM5117的反饋端FB腳，經(jīng)過反饋補(bǔ)償和斜波補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓、較小的負(fù)載調(diào)整率和紋波的目的；通過按鍵開關(guān)使系統(tǒng)在恒壓和負(fù)載識(shí)別模式之間切換，即恒壓與恒流模式的切換。

控制部分主要由單片機(jī)TM4C123G、OLED和ACS712電流檢測(cè)電路構(gòu)成，完成過流保護(hù)和電流電壓的顯示。過流保護(hù)是通過ACS712檢測(cè)電流(由電壓反映)，單片機(jī)采樣，當(dāng)達(dá)到動(dòng)作電流3.2A時(shí)，輸出低電平給LM5117的UVLO引腳，從而關(guān)閉輸出。顯示由OLED液晶屏完成，實(shí)現(xiàn)電流電壓的顯示。

2 硬件部分電路的設(shè)計(jì)

2.1 L M5 1 1 7主要外圍電路的設(shè)計(jì)

參考LM5117數(shù)據(jù)手冊(cè)，根據(jù)實(shí)際情況，外圍電路的設(shè)置如下：

⑴開關(guān)頻率的確定：開關(guān)頻率和MOS管的功耗有很大的關(guān)系，頻率越高，產(chǎn)生的損耗越大。LM5117允許輸出的最小頻率是50kHz，但此時(shí)電路的穩(wěn)定性較差，本系統(tǒng)選擇100kHz作為開關(guān)頻率，在功耗和輸出脈動(dòng)兩者之間折中，得到較穩(wěn)定的輸出。

⑵輸出電感最大電感紋波電流出現(xiàn)在最大輸入電壓時(shí)。通常情況下，20%至40%的滿載電流是在電感磁芯損耗和銅損之間一個(gè)很好的折中方案。較高的紋波電流可以使用較小尺寸的電感器，但為了平滑輸出的紋波電壓，輸出電容要承擔(dān)更大的負(fù)荷。

2.2 MO S管驅(qū)動(dòng)電路

從芯片上HO到MOS管柵極之間，有一段路程，一旦設(shè)計(jì)的路程較長(zhǎng)，電路中的電感效應(yīng)會(huì)加大，容易在PWM上升的和下降時(shí)產(chǎn)生一個(gè)震蕩[5]，因此需要串接一個(gè)電阻，起到過阻尼的作用，以減緩MOS上升時(shí)的沖擊。但是如果加的電阻過大，會(huì)造成上升時(shí)間過長(zhǎng)，當(dāng)上MOS管還沒完全關(guān)閉時(shí)，下MOS管已經(jīng)完全打開，此時(shí)電源與地短接，極易燒MOS管。加一個(gè)反向二極管，起到快速放電的作用，使MOS管的結(jié)電容快速放電，MOS管快速關(guān)閉。

2.3 負(fù)載識(shí)別電路

負(fù)載識(shí)別其實(shí)就是制作一個(gè)1mA的恒流源，通過電壓的采集，來判斷電阻的大小，1V電壓對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)1KΩ的電阻。其中R1為需要識(shí)別的電阻，第二級(jí)運(yùn)放輸出接到LM5117的FB引腳，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的識(shí)別。

3 控制部分電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分主要完成的功能為AD電壓采集和電壓電流的顯示。AD采樣使用TM4C123G內(nèi)部自帶的12位ADC和內(nèi)部高精度參考電源采集電路和電流數(shù)據(jù)，由于采集到的數(shù)據(jù)會(huì)有一定的波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)主要來自電路本身和芯片的供電電源不準(zhǔn)確[15]。在電路上面，采用電容濾除一定的波動(dòng)；在程序上，采用中位值平均濾波法出去干擾值。顯示輸出采用的是OLED，相比于平常使用的LCD，由于OLED不需要背光，而且利用LED發(fā)光，顯示清晰，功耗低，適合本系統(tǒng)的使用。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測(cè)試儀器：數(shù)字示波器，6位半數(shù)字萬用表。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：額定輸入電壓下，已測(cè)最大輸出電流為3.125A，大于3A，說明電路能承受大電流。輸出噪聲紋波電壓峰峰值為59.26mV，由于測(cè)試時(shí)示波器探頭耦合了一部分尖峰噪聲，導(dǎo)致測(cè)量偏大，從示波器上看，主體紋波在50mV以內(nèi)。負(fù)載調(diào)整率為1.05%，說明整個(gè)電路的穩(wěn)定性好，不易受到外部的干擾。滿載時(shí)的效率為91.6%。說明該電路的效率極高，因?yàn)檩斎腚娫催€要給輔助電源供電。同時(shí)系統(tǒng)具備3.2A過流保護(hù)功能。

5 結(jié)論

根據(jù)LM5117設(shè)計(jì)的DC-DC同步整流電路系統(tǒng)，電源滿載效率高達(dá)91.6%，最大電流大于3A，負(fù)載調(diào)整率為1.05%，紋波峰峰值主體在50mV以內(nèi)。同時(shí)附加顯示屏顯示輸出電流以及電壓，方便使用，整個(gè)系統(tǒng)的重量為180g。最后通過改進(jìn)測(cè)試方法、增大輸出電容等方法，紋波得到了有效的控制，峰峰值主體在50mv以內(nèi)。本系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，具有高性能、高效率、小質(zhì)量的特點(diǎn)。

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