长春理工大学第八届电子设计大赛 之 开关电源（2）
开关稳压电源 |
李展 周浩 白银浩
摘要
电源控制系统由220-18V 25W的变压器，3A整流桥，LM2576-adj开关电源控制芯片组成。电源前端通过220-18V 25W的变压器将220V的室电变成18V的交流电，通过整流桥和后端滤波电路对信号进行整流和整形，获得26V的直流信号。将直流信号送入LM2576-adj DC-DC转换器，最终获得15-18V的输出可调的电压源。通过采样电阻对电流进行采样，对采样后的信号使用LM358进行放大，放大后的信号使用单片机AD采样，实现电压电流的显示以及电流控制和报警。本项目创新性的设计了电压电流采集显示电路，极大的方便了电源的使用。
关键词： 变压器 整流桥 DC-DC 转换器 ADC
一、 系统方案
1.输出电压U0可调范围：15V-18V
方案一：使用脉宽调制芯片，例如SG3525以及N沟道的功率MOSFET构成全桥推挽式DC-DC开关电源电路。本方案输出比较灵活，常用于大功率工业控制中，成本相对较低，由于本方案需要自行绕制后端输出变压器以及滤波电感，结构繁琐且不易控制电源纹波，温度性能也不好。
方案二：使用集成开关电源控制芯片。采用大电流，输出可调的开关电源控制芯片。由于集成芯片输出线性度高，负载稳定度较高，稳定输出的温度范围大。但是芯片成本略高，效率相对较低。
由于本次电源要求输出功率较小(18V,1A)对电源纹波要求较高(＜0.5V)同时转换效率要求不高(η＞70%)。综合考虑后选择集成开关电源控制芯片LM2576adj来完成本次设计。
2.过流保护
方案一：使用继电器以及1Ω采样电阻对回路中的电流进行采样，设置电压比较电路。将采样后的电压信号与参考电压进行比较，如果大于参考电压则使用触发器关闭继电器，实现电路通断。本方案结构简单可靠性高，常用于工业控制，但是需要的采样电阻阻值较大，对电路输出能力造成一定影响。
方案二：使用单片机对回路中的电流进行AD采集，将采样后的电压与参考电压进行比较，如果大于参考电压则关闭继电器，实现电路通断。本方案控制灵活，并且对电源输出影响较小，但是成本较高。
由于本次设计可发挥项较多，我们设计了电压电流采样显示电路。灵活度较高故我们采用ATmage328单片机对电路进行控制。
3.系统框图
二、理论分析与计算
2.1芯片介绍
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具 有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
2.2芯片分析
(1)由数据手册可知，LM2576最大可调节电压为Voutmax=Vin-2.6V，整流后的电压可达到26V故输出可调节范围为0-23V。
(2)最大可输出3A电流完全可以达到题目要求18V 1A的指标。
(3)查数据表得下图
由上图可知在正常工作环境下输出纹波在±100mV完全可以达到题目要求。
(4)
如上图所示在输入电压为20-30V，输出电流为3A时η＞85%，满足题目要求的70%。
(5)LM2576引脚图如图所示。
芯片的第5脚为输出控制端，当其端口电压大于1.23V时芯片关闭输出功能。故只需使用单片机向5脚给出高电平，即可控制电源输出。
2.3 器件选择分析
（1）可调电阻
R1∈（1K，5K）；
（2）滤波电感选择
由上述公式和图表计算可得，滤波电感为470uh。
（3）输出电容
计算可得电容≥22uF，为追求滤波效果本方案选择1000uF电容。
（4）自举二极管选择
根据上表本方案选择1N5822肖特基二极管作为自举二极管。
三、电路与程序设计
3.1.1 整形整流电路
3.1.2 LM2576输出电路
3.1.3 单片机及运算放大器的供电电源
3.1.4 电压电流采样放大电路
3.1.5 单片机采样报警电路
3.1.6 显示电路
3.2.1 控制程序代码
#define guoliu A0
#define led 2
#define buzzer 3
#define guo 4
int val = 0,flag=1;
void setup()
{
delay(100);
Serial.begin(9600);
Serial.print(“Right\n”);
pinMode(led,OUTPUT);
pinMode(buzzer,OUTPUT);
flag=1;
}
void loop()
{
val = analogRead(guoliu);
if (flag)
{
if (val>305)
{
flag=0;
}
digitalWrite(led,LOW);
digitalWrite(buzzer,LOW);
digitalWrite(guo,LOW);
Serial.println(val);
}
else
{
digitalWrite(led,HIGH);
digitalWrite(buzzer,HIGH);
digitalWrite(guo,HIGH);
Serial.print(“guoliu!\n”);
}
delay(500);
}
3.2.2 电路仿真
四、系统测试
1.测试仪器
（1）模拟示波器 GOS2102A
（2）DDS 函数信号发生器 AD9959
（3）数字万用表 U3402A
2.测试方案及测试条件
（1）电压电流测试
将输出接入18Ω负载电阻，使用数字万用表测试输出电流及电压。
（2）输出纹波测试
将带载后的输出两端接入模拟示波器，示波器采用交流耦合50mV/div观察输出波形。
（3）输出效率
使用万用表测量室电220V输入电流及电压。与第一步测试的电流电压进行比较。η=(V220*I220)/(I18*V18)
（4）过流保护测试
使用10Ω负载接入输出两端，测试电源是否关闭输出并且报警。
3.测试结果及分析
（1）电压电流测试
如上图所示在输入电压为18V时输出电流为1A并且15-18V可调，满足题目要求。
（2）输出纹波测试
如上图所示纹波≤100mV满足题目要求。
（3）输出效率
如上图所示室电输入电流为100mA电压为220V，通过计算可得效率为85%满足题目要求。
（4）过流保护测试
如上图所示电流为1.8A时LM2576关闭输出并且电压报警。
五、参考文献
参考文献
[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 [M]. .2009.
[2] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M]. 版社 2009.
[3] 塞尔吉奥?弗朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安交通大学出版社 2010.
[4] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M]. 1979
附：技术要求
基本要求
（1）输出电压 U 可调范围：15V～18V。
（2）最大输出电流 I：1A。
（3）输出噪声纹波电压峰-峰值 U ≤0.5V（U =18V,I =1A）
（4）DC-DC 变换器的效率 ≥70%（U =18V,I =1A）
（5）具有过流保护功能，动作电流 I=1.5±0.2A。
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