摘 要：基于PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制器和MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管）集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y，分析和探討了電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源電路的設(shè)計。要求對5～40V范圍內(nèi)電壓的步加、步減調(diào)節(jié)，步進(jìn)精度為0.2V，并通過雙向反饋電路提高電壓穩(wěn)定性。 關(guān)鍵詞：數(shù)控開關(guān)電源 TOPSwitch-FX 計數(shù)控制 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 電路設(shè)計 1 引言 　　隨著電源電子技術(shù)的高速發(fā)展，普通的開關(guān)電源逐漸顯示出了其在現(xiàn)代高科技產(chǎn)品設(shè)計中的眾多不足之處，尤其是開關(guān)電源的智能化要求。然而，數(shù)字控制開關(guān)電源卻在這方面突現(xiàn)了優(yōu)勢，數(shù)字控制易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，可以從根本上提高系統(tǒng)的性能指標(biāo),減少控制電路的元器件數(shù)量，縮小控制板體積，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高控制系統(tǒng)的可靠性[1]。本文設(shè)計一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源。該電源主要用于產(chǎn)品的測試和開發(fā)，也可以做智能控制的電源。 2 總體設(shè)計方案 　　數(shù)字控制開關(guān)電源是一種基于數(shù)字信號控制調(diào)節(jié)其輸出電壓的、初步實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字化和智能化控制的電路系統(tǒng)。電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源要求由按鈕控制電壓輸出值在5～40V范圍內(nèi)的步加、步減調(diào)節(jié)，步進(jìn)精度為0.2V，并隨時可以調(diào)回最低值或預(yù)置為最高值，輸出電壓的精度不低于0.1V[2]，最大輸出功率不低于20W。 　　2.1系統(tǒng)設(shè)計 　　設(shè)計一種基于TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)控開關(guān)電源，利用PWM原理控制占空比，采用可逆計數(shù)器計數(shù)并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換放大做控制信號，對輸出電壓進(jìn)行相對較大范圍的調(diào)節(jié)，由反饋電路確保電壓的穩(wěn)定性，數(shù)字芯片電源由內(nèi)部電源提供。 　　按功能系統(tǒng)可基本劃分為兩大部分，即開關(guān)電源的模擬部分和數(shù)字控制部分。模擬部分實現(xiàn)開關(guān)電源電壓的整流、濾波、功率變換、限流保護(hù)等功能;數(shù)字控制部分主要是通過計數(shù)調(diào)壓控制信號調(diào)節(jié)PWM占空比來改變電壓輸出值并控制反饋信號以保持電壓輸出值的穩(wěn)定。 　　2.2基本設(shè)計思路 　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模擬開關(guān)電源、反饋電路、PWM及比較器控制和數(shù)字調(diào)壓控制四大模塊。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 　　模擬開關(guān)電源部分對輸入交流市電進(jìn)行濾波、抗電磁干擾處理、整流、功率變換和穩(wěn)壓等。數(shù)字器件要求提供的電源基本保持不變，但輸出電壓會隨數(shù)控調(diào)節(jié)不斷改變，所以開關(guān)功率變換次級輸出只能在經(jīng)過穩(wěn)壓處理才能用作內(nèi)部電源，這里在電壓不超過最大值的情況下采用三端穩(wěn)壓器。 　　開關(guān)電源反饋采用輸出電壓的雙向控制。調(diào)壓控制信號和反饋信號采用比較器作比較放大后送PWM控制器，使兩者不會產(chǎn)生沖突，也不會漏掉其中任一控制信號，兩者同時控制開關(guān)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電壓[3]?？刂菩盘柕碾妷号c輸出電壓的關(guān)系是由PWM控制器實現(xiàn)線性控制，故PWM控制器必須用線性PWM控制器件。 　　在反饋電路中，若輸出電壓偏高，誤差放大反饋信號進(jìn)入比較器經(jīng)比較輸出的電壓也偏高。轉(zhuǎn)化后的反饋信號電壓與脈沖調(diào)制器前置的比較器的計數(shù)調(diào)壓控制電壓比較后的電壓偏低，導(dǎo)致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降[4];反之亦然。調(diào)壓控制的原理與反饋控制原理相似，但這里集成在TOP芯片中。 　　在數(shù)字調(diào)壓控制模塊，由按鈕控制計數(shù)器的步加、步減、清零和預(yù)置為最大值，并由計數(shù)器輸出一個相應(yīng)的電壓信號。計數(shù)器輸出的信號為數(shù)字量，故須再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的控制電壓，即數(shù)字調(diào)壓控制信號。 3 電路設(shè)計 　　3.1 PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX介紹 　　TOPSwitch-FX系列有三種封裝形式，其中TO-220-7B封裝有5個引出端，它們分別是控制端C、多功能端M、源極S、開關(guān)頻率選擇端F和漏極D。多功能端主要有線路過壓和欠壓保護(hù)、利用線路電壓前饋來降低占空比Dmax、從外部設(shè)定芯片的極限電流ILIMIT等功能。 　　TOPSwitch-FX主要由門驅(qū)動級和輸出級、控制電壓源、帶隙基準(zhǔn)電壓源、頻率抖動振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器、脈寬調(diào)整器等主要部分組成。它的工作原理是利用反饋電流IC來調(diào)節(jié)占空比Dmax，達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。例如，當(dāng)輸出電壓UO↑時，經(jīng)過光耦合反饋電路使得IC↑→Dmax↓→UO↓，最終使UO保持不變。 　　TOPSwitch-FX有一大特性，當(dāng)控制端電流IC在規(guī)定范圍內(nèi)，而多功能端的輸入電流IM為定值時，脈寬調(diào)制器的輸出占空比Dmax與IC成反比。PWM的增益為： 　　K=ΔD/ΔIC= —22%/mA 　　即 　　ΔD=K×ΔIC= —22%··················⑴ 　　由式⑴可知，占空比隨IC的增大而減小。實際上，占空比不僅與IC有關(guān)，還取決于IM值[5]。 　　3.2 配有TL431的光耦合雙向反饋電路 　　目前，在普通開關(guān)電源中可由多種方式進(jìn)行輸出反饋。在輸出電壓采樣電路中，一般有鉗位電路?；驹硎潜容^輸出電壓是高于還是低于鉗位電壓[6]。但在電壓可調(diào)的開關(guān)電源中，因為輸出電壓本身是要求變化的，所以不能用類似的反饋電路。 　　為了克服這一難題，在電路反饋原理上不再采用單獨的縱向比較，而是縱向、橫向比較相結(jié)合。橫向是比較兩輸出電路電壓是否相同，而縱向比較是在另一路輸出中加入延時操作，同時在調(diào)壓時禁止反饋。 　　具體的電路是在第二路輸出經(jīng)整流濾波后加延時器，再與第一路進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)縱向比較。而為了在調(diào)壓時禁止反饋，反饋輸出后加脈沖控制反饋電路的通斷，當(dāng)有調(diào)壓脈沖信號存在時，反饋通路中斷，這里由壓控繼電器來實現(xiàn)。另外，由于電壓的精度要求高，在電路反饋中必須對誤差電壓進(jìn)行放大，中間加比較器放大器后進(jìn)行反饋。同時在電路中對輸出采用光耦合器件TL431隔離，提高電壓調(diào)整率[7]。其基本電路原理圖如圖2所示。 　　3.3 數(shù)字調(diào)壓控制電路 　　該模塊包括計數(shù)控制電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。電源整體輸出電壓為5至40V，步長值設(shè)計為0.2V，總計數(shù)次數(shù)為175次，故須采用八位二進(jìn)制計數(shù)器。從0開始計數(shù)，計數(shù)到175，即二進(jìn)制數(shù)的10101111，輸出信號送數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)行功率放大。因為ΔD與ΔIC成反比，即占空比的變化與IC的變化成反比。當(dāng)IC變大時，占空比減小，輸出電壓降低，反之，當(dāng)IC變小時，輸出電壓增大，所以在計數(shù)器的UP引腳接步減控制按鈕，而DOWN引腳接步加按鈕，計數(shù)器清零時輸出電壓最大，預(yù)置為最高時輸出電壓最小。 　　3.3.1計數(shù)控制電路 　　控制按鈕為四鍵，分別用于步加、步減、清零和預(yù)置為最大值。可逆計數(shù)器采用兩只74LS193級聯(lián)形成八位二進(jìn)制計數(shù)器。74LS193是一種雙時鐘4位二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器，具有預(yù)置、清零、加和減計數(shù)功能[8]。兩片74LS193采用級聯(lián)方式，第一片的CLR通過電壓置高開關(guān)接數(shù)字電源。LD接地，即預(yù)置功能在輸出為最低時有效，預(yù)置數(shù)據(jù)均接高電平。UP、DOWN上拉為高電平，分別通過電壓步減、步加開關(guān)按鈕接振蕩脈沖信號源。第一片的CO為0時，加計數(shù)進(jìn)位，BO為0時，減計數(shù)借位。第二片的計數(shù)控制由LD執(zhí)行控制功能，即CO、BO分別取反后一起接LD，其它接法與第一片相同，組成一個八位二進(jìn)制可逆計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)到175時，加無效，當(dāng)計數(shù)為0時，減無效。即當(dāng)輸出為10110000時，計數(shù)器清零。當(dāng)輸出為00000000時，執(zhí)行減操作則計數(shù)器預(yù)置為最大值[9]。 　　數(shù)字調(diào)壓控制電路圖如圖3所示。 　　3.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 　　數(shù)字調(diào)壓控制電路輸出送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這里因為沒有要求其它附加功能，故采用一只ADC6080作為數(shù)模轉(zhuǎn)換[10]，其轉(zhuǎn)換信號提供給功率放大電路[11]。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。 　　3.4比較器及PWM控制電路 　　TOPSwitch-FX系列芯片集成了保護(hù)電路、PWM控制器及MOSFET管，這里可直接采用TO-220-7B型封裝的TOP234Y型FX芯片。其中接數(shù)控信號與接反饋信號進(jìn)行比較放大后接控制端C，M端通過大電阻接電輸入正極[12]， TOP234Y的外圍電路如圖5所示。 　　3.5輸出穩(wěn)壓電路 　　輸出分為兩路，第一路經(jīng)整流、濾波作開關(guān)電源輸出;第二路為數(shù)字IC提供電源。在整個控制電路中，所有的數(shù)字芯片都需要恒壓電源，但是在輸出電壓調(diào)節(jié)過程中，第二路輸出也會隨著占空比的變化而變化，所以要在該路輸出加上恒壓電路。為了設(shè)計簡便，這里用集成三端穩(wěn)壓器。只要把正輸入電壓加到UA7805的輸入端，UA7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標(biāo)稱正電壓。在輸入端和輸出端與地之間要接大濾波電容，在芯片引腳根部還要接小容量電容（0.1～10uF）到地[13]。 4 結(jié)論 　　設(shè)計了一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的數(shù)控開關(guān)電源，對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。如果要求更高精度的可調(diào)電源時可以增加計數(shù)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換的位數(shù)，但同時要考慮芯片的沉載能力。若要更高的輸出功率，可以更換TOPSwitch-FX芯片。此外，文中對開關(guān)電源的一些重要參數(shù)如空載功耗等的研究沒有涉及，有待進(jìn)一步研究。 　　本文作者創(chuàng)新點：設(shè)計一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調(diào)數(shù)字控制開關(guān)電源，實現(xiàn)對5～40V范圍內(nèi)電壓的步加、步減調(diào)節(jié)，步進(jìn)精度為0.2V，并且通過雙向反饋電路提高電壓穩(wěn)定性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]周新征,曾春年.TOPSwitch-II系列單片機(jī)開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息.2004,9:1-3. 　　[2]王立欣,楊春玲.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003,165. 　　[3]任元元,張志國,孫慶軍,等.數(shù)控開關(guān)電源在遙測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].遙測遙控,20（4）:30. 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