基于Buck變換器的步進式開關電源分析

梁毅

摘 要：隨著科學技術的飛速發展，電力電子技術日新月異，開關電源在航空航天、計算機、儀器儀表、通信及家用電器等方面得到廣泛應用。研究步進式開關電源電路，可使輸出電壓按一定的步進值調整，并且輸出電壓、電流精度高，電源轉換效率高。該文介紹了一種以Buck變換器為基礎的步進式開關電源。給出了Buck轉換器電路設計原理圖，詳細分析和介紹了步進式電壓調整的電路設計方法和步進調壓程序。

關鍵詞：Buck變換器 步進 開關電源

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0030-02

1 硬件電路設計

1.1 Buck轉換器電路設計

Buck轉換器是該開關電源中最重要的部分。降壓轉換器選用XL4015開關降壓型DC-DC芯片，固定開關頻率為180 kHz。該芯片具有出色的線性調整率與負載調整率，輸出電壓支持1.25～32 V間任意調整，最大輸出電流5 A，且芯片集成了過流保護、過壓保護、短路保護等保護電路。其原理圖如圖1所示。

XL4015芯片的5腳為電壓輸入端；4腳為內部電壓調節端，需要接一個旁路電容；3腳為功率輸出端；2腳為反饋端；1腳為接地端。輸入端需要并聯電解電容以消除噪聲。由于輸入電壓近30 V，考慮各種因素，選擇50 V，220 μF的固態電容，并且再并聯一個瓷片電容以進行高頻去耦。假設輸出電壓最大20 V，為留有裕量，也選擇50 V，220μF的固態電容，并且再并聯一個瓷片電容加以配合。因為電感器對輸出紋波有著直接的影響，通過計算選擇47μH的電感。輸出電壓可調依靠反饋電阻R1，R2的比值，其公式為1.25×（1+R2/R1），R2為可調電位器，R1為固定阻值電阻。通過調節R2即可調節輸出電壓。電路中設計了輸出指示燈，通過指示燈亮度可以得知輸出電壓值的大致大小。

1.2 步進電壓電路設計

如果輸出電壓為0.2 V步進值，并且要求使用鍵控，首先排除機械電位器。若使用數字電位器，其種類較多，精度也各不相同，最后經過對比發現使用開關使相應電阻短路或接入就能實現反饋阻值的變換，實現了電壓值的步進。

步進電路由9個電阻，8個開關組成。當所有開關閉合時，從R2到R9，8個電阻全部短路。當任意開關斷開，則相對應的電阻接入電路中。R1是一個基準值的電阻，假設電壓輸出為5 V起始。這個條件則由R1來完成，將R1調整到降壓模塊輸出5 V。設輸出要求5～20 V，步進值0.2 V，整個可調輸出值的數量為76個，即步進76步。通過分析和計算，將調整R2為0.2 V，R3為0.4 V，R4為0.6 V，R5為0.8 V，R6為1 V，R7為2 V，R8為4 V，R9為8 V。當需要5.2 V時，只需斷開開關S1，其他開關全部閉合。當需要13.6 V時，只需斷開S3和S8開關。當需要20 V時，只需斷開S5、S6、S7和S8四個開關即可實現。其實質原理為斷開某個或多個開關，就是將該開關對應電阻上的電壓值加入輸出電壓中，通過不同的組合形成各個需要的電壓值，并實現步進功能。

由于各個電阻對應的電壓值存在一定誤差，當誤差累積后便使得輸出電壓值不是理想的。采用電位器進行任意值調整，通過多次測試可以將其誤差調整到最小。并且電路中所使用的開關為繼電器，通過單片機控制繼電器的吸合與斷開實現可開關功能。

1.3 數據采集電路設計

開關電源需具備輸出端電壓、電流的實時檢測，則需A/D轉換器來接收和轉換信號。ADC0809為8位轉換器，TLC2543為12位轉換器，TLC2543轉換精度更高，所以選擇TLC2543轉換芯片。TLC2543A/D轉換芯片的外圍電路簡單，11路模擬輸入端口直接外接需要檢測的電壓、電流值。電源的正負極接一去耦電容，以減小輸入芯片的電源紋波。雖然外圍電路簡單，但因為是一片較為敏感的芯片，尤其是在高速轉換時，極易受到外界干擾使轉換值不準確，這就要求PCB布線時其芯片底部盡可能不要有信號線或電源線接近。

2 步進控制程序設計

主控芯片選用AT89s52，由于一片主控芯片的控制口有限，不夠控制8路繼電器，故選用兩片AT89s52。通過兩片芯片的配合使用來完成步進控制。步進控制程序部分如圖2所示。

當外部按下確認按鍵時，程序進入步進控制。每增加0.2 V的電壓值，P2口輸出變化一次，以控制繼電器通斷。當要輸出5 V時，P2口輸出全部為“1”，即0xff，全為高電平。當輸出6.6 V時，P2口輸出為0xeb，即高四位中的第一位為低電平，低四位中第三位為低電平，高低位剩下的全為高電平即可實現。其他電壓值以此類推，能實現5～20 V的步進輸出，步進數量為76步。

步進的加減在中斷里面實現，在中斷中執行步進的加減控制可以提高單片機的工作效率，并且中斷程序有優先級，可以提高控制的靈敏性。加減控制是在需要時打開外部中斷就能進行，也可關閉中斷使步進控制失效。

3 結語

通過Buck變換器把交流電壓轉變成直流電，輸出直流電壓范圍較寬，實現5～20 V步進調壓，步進值0.2 V。通過分析、比較采集的電壓、電流數據可知，電壓和負載調整率非常小，輸出電壓非常穩定，并且采用此方法設計的電源轉換效率較高。

參考文獻

[1] 謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].武漢：華中科技大學出版社，2000.

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