本發(fā)明涉及一種用于電能變換場(chǎng)合下進(jìn)行直流降壓的開關(guān)電源，特別涉及一種采用雙閉環(huán)的反饋機(jī)制、集成PWM控制器、實(shí)時(shí)電壓顯示，反饋及各電路有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的5V開關(guān)電源裝置。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的線性直流電源越來越不能滿足生產(chǎn)和生活的需要了。和傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，雖說線性電源穩(wěn)壓性能好、輸出的紋波電壓也要小，但它必須使用很笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)隔離，并且調(diào)整管的功率損耗也相對(duì)較大，致使電源的體積和重量大、效率很低。因而開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，是穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)在已經(jīng)成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。關(guān)鍵元器件在開關(guān)電源內(nèi)部工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，所以本身消耗的能量很低，好的電源效率可以達(dá)到90％以上，幾乎是普通線性穩(wěn)壓電源的兩倍。隨著輸出功率的增加，兩者的成本都是在增加的，只是增長速率各不相同，開關(guān)電源在某一點(diǎn)比線性電源的成本要高，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，開關(guān)電源也在不斷地進(jìn)步，其成本也在不斷地降低，這就為開關(guān)電源的發(fā)展提供了廣泛的空間。本設(shè)計(jì)的一種低噪聲高可靠性智能化5V開關(guān)電源裝置采用雙閉環(huán)的反饋機(jī)制、集成PWM控制器、實(shí)時(shí)電壓顯示，反饋及各電路有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成了5V開關(guān)電源裝置。其裝置性能高、體積小、更加智能，且可靠性更高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種低噪聲高可靠性智能化5V開關(guān)電源裝置，其裝置性能高、體積小、更加智能，且可靠性更高。

直流電源在很多場(chǎng)合都需要用到，很多電子設(shè)備都是5V直流電源供電，如果電源的穩(wěn)壓性能不好，則會(huì)使設(shè)備的芯片等部件燒毀，甚至造成更嚴(yán)重的后果，帶來巨大損失，而現(xiàn)行電源往往體積大，效率低，損耗大，使用起來不方便，開關(guān)電源則不一樣，他的出現(xiàn)可以彌補(bǔ)線性電源的不足。

本設(shè)計(jì)一種低噪聲高可靠性智能化5V開關(guān)電源裝置與市面上的現(xiàn)行電源裝置功能大致相同，都是為負(fù)載設(shè)備提供5V的直流供電電源，但其性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的線性電源，在直流電壓20V(電壓變化范圍較小)輸入，電阻負(fù)載情況下，設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源滿足以下幾點(diǎn)。

(1)輸出電壓5V；

(2)穩(wěn)定時(shí)間小于0.5秒；

(3)V_PP小于800mV；

(4)具有電壓顯示功能；

(5)具有短路保護(hù)功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體設(shè)計(jì)方案框圖；

圖2是本發(fā)明的降壓斬波電路圖；

圖3是本發(fā)明的Buck變換器模式1(0＜t≤t_on)的等效電路圖；

圖4是本發(fā)明的Buck變換器模式2(ton＜t≤T)的等效電路圖；

圖5是本發(fā)明的Buck變換器開關(guān)波形圖；

圖6是本發(fā)明的控制和驅(qū)動(dòng)電路圖；

圖7是本發(fā)明的電壓反饋電路和電流反饋電路；

圖8是本發(fā)明的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖；

圖9是本發(fā)明的12864電壓顯示電路圖；

圖10是本發(fā)明的系統(tǒng)程序總流程圖；

圖11是本發(fā)明的輸入電壓波形；

圖12是本發(fā)明的UC3842的8腳波形；

圖13是本發(fā)明的UC3842的4腳波形；

圖14是本發(fā)明的UC3842的6腳波形；

圖15是本發(fā)明的輸出5V的電壓波形；

圖16是本發(fā)明的LCD12864顯示輸出電壓。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種低噪聲高可靠性智能化5V開關(guān)電源裝置的總體設(shè)計(jì)方案和各模塊電路設(shè)計(jì)如下：

1總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的5V開關(guān)電源將包括：電源輸入電路、DC/DC(Buck)變換主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓顯示電路等。由這幾個(gè)模塊電路可以組成總體設(shè)計(jì)方案的框圖，如圖1所示，圖1為總體設(shè)計(jì)方案框圖。

總體設(shè)計(jì)方案中，20V直流電源作為主供電源，經(jīng)濾波后送到DC/DC變換主電路，通過控制電路、驅(qū)動(dòng)電路使主電路工作，采樣輸出送入控制電路與基準(zhǔn)電壓做比較，改變其PWM波的占空比，使電壓穩(wěn)定輸出。電壓顯示電路顯示采樣電路采樣的數(shù)據(jù)，并在12864液晶顯示屏上顯示。

2各模塊電路設(shè)計(jì)

2.1主電路設(shè)計(jì)

本發(fā)明要求是DC-DC變換，即將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。DC-DC變流電路包括非隔離的DC-DC變流電路和帶隔離的DC-DC變流電路，由于本發(fā)明屬于小功率的電源，20V直流輸入并不對(duì)人生安全構(gòu)成威脅，因此不要求DC/DC變換器輸入與輸出之間有電氣隔離，從變換器的效率考慮，非隔離的變換器效率比隔離的變換器效率高。綜上所述，得出方降壓斬波電路(Buck變換器)本發(fā)明主電路的設(shè)計(jì)要求，降壓斬波電路是最基本的斬波電路，電路非常簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，適用于幾瓦～幾百瓦的小功率電子設(shè)備電源。降壓斬波電路的電路原理圖如圖2所示，圖2為降壓斬波電路。

本設(shè)計(jì)主電路是采用降壓斬波電路。如圖2所示為功率MOSFET的基本降壓斬波電路(Buck變換器)。在Buck電路中，輸出電壓V_a比輸入電壓V_S低。Buck電路的工作過程根據(jù)開關(guān)管的動(dòng)作分為兩種模式。根據(jù)輸出電感中的電流是否連續(xù)，Buck電路可以工作在連續(xù)或斷續(xù)模式，本發(fā)明裝置工作在連續(xù)模式。

模式1(0＜t≤t_on)，在一個(gè)開關(guān)周期的起始時(shí)刻(t＝0)，開關(guān)管Q_S導(dǎo)通。模式1等效電路如圖3所示，圖3為Buck變換器模式1(0＜t≤t_on)的等效電路。由于輸入電壓V_S大于平均輸出電壓V_a，這個(gè)階段電感電流l_L(t)上升。電感上的電壓決定了電流的上升率：

如電感值夠大，在時(shí)間t_on內(nèi)電感電流將從I₁線性增長至I₂，因此

模式1的連續(xù)時(shí)間為

因此，在模式1電感處于儲(chǔ)能階段。

模式2(t_on＜t≤T)

當(dāng)開關(guān)管Q_S在t＝t_on時(shí)刻關(guān)斷，進(jìn)入模式2，等效電路如圖4，圖4為Buck變換器模式2(ton＜t≤T)的等效電路。

由于電感電流不能突變，電感上的電壓極性立刻反向以維持開關(guān)管Q_S關(guān)斷前流過的電流I₂，這種現(xiàn)象稱為感性沖擊。由于電感電壓極性相反，續(xù)流二極管D_fw正偏導(dǎo)通。如果沒有續(xù)流二極管，給開關(guān)管供電的電源會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的電壓尖峰。隨著電感中的能量傳輸給電容并被負(fù)載消耗，電感電流逐漸減小。電感上的電壓為-V_a，流過的電流在t_off內(nèi)由I₂線性減小至I₁。

即

模式2的持續(xù)時(shí)間為

電感電流峰-峰值為

穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，在時(shí)段0＜t≤t_on和t_on＜t≤T內(nèi)，電感電流峰-峰值相等

把t_on＝D和t_off＝(1-D)T帶入式(8)得

即

Buck變換器的平均輸出電壓V_a為占空比D和輸入電壓V_S的乘積。當(dāng)負(fù)載變化或者輸入電壓波動(dòng)時(shí)，由Buck變換器實(shí)現(xiàn)的電壓調(diào)節(jié)器的占空比每周期改變以維持輸出電壓恒定。占空比的周期性改變采用脈寬調(diào)制的反饋方法實(shí)現(xiàn)，這將在控制電路的設(shè)計(jì)中討論。開通時(shí)間t_on和關(guān)段時(shí)間t_off的定義為

開關(guān)周期T是t_on和t_off的和，即

從而電感紋波電流可表示為

因此，電感電流峰-峰值與電感和頻率成反比。根據(jù)基爾霍夫電流定律，電感電流為

i_L＝i_C+i₀ (15)

穩(wěn)定工作狀態(tài)下，輸出電容在一個(gè)開關(guān)電源周期內(nèi)充、放電量相同，因此平均電容電流I_C為0。平均電感電流I_L等于平均輸出電流I_a，于是當(dāng)I_L(t)大于I_a時(shí)(即I_C(t)流入電容)輸出電容充電；當(dāng)I_L(t)小于I_a時(shí)輸出電容放電。設(shè)負(fù)載電流恒定，則電感電流的變化為

Δi_L＝Δi_C+Δi₀≈Δi_C (16)

因此充、放電的時(shí)間在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必然相等，而且均等于半個(gè)開關(guān)周期。平均充電或放電電流在(t_on/2)+(t_off/2)＝(T/2)內(nèi)為

電容電壓為

電容紋波電壓為

把式(3.16)中的ΔI代入式(3.21)，則電容紋波電壓為

由于輸出電容直接與負(fù)載并聯(lián)，因此電容紋波電壓Δu_C等于輸出紋波電壓Δu₀。可以看到，輸出紋波電壓與及LC乘積成反比。因此，要減小輸出紋波電壓，LC乘積越大越好，開關(guān)頻率越高越好。由于在Buck變換器中輸出電感L和輸出電容C形成個(gè)低通濾波器，L值和C值的選擇決定輸出濾波器的截止頻率，并最終決定開關(guān)紋波以及輸出尖峰的值。

工作在連續(xù)模式下的Buck變換器的開關(guān)波形如圖5所示，圖5為Buck變換器開關(guān)波形。由于輸入電流不連續(xù)，通常需要一個(gè)輸入濾波器用于減小電磁干擾(EMI)，它由一個(gè)串聯(lián)電感和一個(gè)并聯(lián)電容組成。由于續(xù)流二極管的作用，輸出電感電流是連續(xù)的。在開通時(shí)刻，輸出電感電流比所需的負(fù)載電流i_0(t)小，輸出電容首先釋放能量，不過由于輸出電感電流不斷增大，并超過負(fù)載所需電流，輸出電容開始充電。電容最大充電電流I₂-I_a出現(xiàn)在開通狀態(tài)的結(jié)束時(shí)刻，即DT時(shí)刻。電容最大放電電流I₁-I_a出現(xiàn)在開關(guān)周期的結(jié)束時(shí)刻。要注意電容紋波電壓滯后于電流90°。

如果忽略開關(guān)損耗，通過計(jì)算開關(guān)管Q_S，與續(xù)流二極管D_fw的導(dǎo)通損耗可以得到Buck變換器的效率。導(dǎo)通損耗表達(dá)式為

這里R_on為開關(guān)管Q_S的通態(tài)電阻，為二極管的正向電壓降，它與電流大小有關(guān)。

因此Buck變換器的效率為

顯然，減少R_on和提高效率。

2.2控制電路和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制電路的核心部分就是按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，即發(fā)出PWM波及電壓、電流保護(hù)等。由于單片機(jī)供電電壓一般小于等于5V，不能直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管；UC3842的輸入電源可以直接接20V，能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT，故采用UC3842電源管理芯片發(fā)出PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET，UC3842具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。

驅(qū)動(dòng)電路就是去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，主要作用是將控制信號(hào)放大和隔離，由于本發(fā)明采用UC3842控制芯片(其可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT)，又考慮到經(jīng)濟(jì)性與電路的簡(jiǎn)單化，于是采用直接驅(qū)動(dòng)，直接驅(qū)動(dòng)就是控制信號(hào)不加處理，直接驅(qū)動(dòng)電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，不需要任何輔助電路。其適用控制電路信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET等開關(guān)器件的電路。

頻率采用32kHz，由公式f＝1.8/(R_T×C_T)可知，電阻R₄、電容C₃可分別取25k_Ω和2.2nF，UC3842控制芯片的1腳采用電容C₁和電阻R₁并聯(lián)后與2腳相連，以改善誤差放大器的增益和頻率特性，其分別取1nF、220k_Ω，6腳接一個(gè)20Ω的尖峰抑制電阻R₃，旁路電容C₂～C₅都取0.1uF，其控制驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，圖6為控制和驅(qū)動(dòng)電路。

電壓反饋，采用電阻分壓輸入，電流反饋也采用電阻采樣。其電路如圖7所示，圖7為電壓反饋電路和電流反饋電路。

電壓反饋(送入U(xiǎn)C3842)采用改變分壓反饋電阻的比值實(shí)現(xiàn)，UC3842內(nèi)部比較電壓為2.5V，在這里R₁、R₂、R₃分別取4.7k_Ω、10k_Ω、4.7k_Ω，所以電路的輸出電壓范圍為[4.7/4.7+1]×2.5≤V_a≤[(4.7+10)/4.7+1]×2.5(包含5～10V)，符號(hào)設(shè)計(jì)要求。

電壓反饋(送入單片機(jī))，在這里R₁、R₂、R₃都取100K，分壓反饋電壓送入單片機(jī)進(jìn)行顯示。

電流反饋，反饋電阻R₄、R₅使用兩個(gè)0.1_Ω(電阻較小，功率損耗可以接受)的水泥電阻做采樣，當(dāng)電路短路時(shí)反饋給3腳的電壓大于1V，UC3842暫停發(fā)波，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

2.3顯示電路設(shè)計(jì)

(1)控制芯片方案選擇

電壓顯示電路就是實(shí)時(shí)監(jiān)控(顯示)主電路的電壓。根據(jù)我們所學(xué)知識(shí)，單片機(jī)是做數(shù)字電壓顯示電路的最好選擇，由于本發(fā)明要求電壓輸出為5V，顯示范圍不大，可采用自帶A/D的單片機(jī)(STC12C5A60S2)和液晶顯示屏制作數(shù)字電壓表。此款單片機(jī)內(nèi)部自帶10位的A/D，工作頻率0-35M，速度快，精確度隨所測(cè)量電壓值增大而減小，而且其電路簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，成本低。

本發(fā)明所用單片機(jī)最小系統(tǒng)由STCI2C5A60S2作為核心芯片，該系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。具體如下圖所示。

STCI2C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖8所示，圖8為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

(2)顯示器方案選擇

在本次設(shè)計(jì)中，有必要將電壓等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出來，所以需要顯示器。由于本發(fā)明裝置中，需要顯示的信息量不大，但LCD1602液晶顯示屏不能顯示漢字，所以不考慮。雖說使用TFT彩屏能夠顯示大量的信息，還可以彩色顯示，美觀且操作也靈活，但是價(jià)格相對(duì)比較貴，考慮到制作成本，所以不選TFT彩屏。LCD12864液晶顯示屏也可以顯示較大的信息量，由于本次設(shè)計(jì)需要顯示的信息量不是很多，LCD12864液晶完全能夠滿足本設(shè)計(jì)所需的要求，所以，綜上所述，使用LCD12864液晶顯示屏。

本系統(tǒng)中的顯示部分是采用STC12C5A60S2單片機(jī)控制12864液晶顯示屏顯示。帶中文字庫的128×64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；液晶的顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集?？梢燥@示8×4個(gè)點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。

本課題在實(shí)物驗(yàn)證中使用了1塊12864液晶，安裝在主從模塊上作為數(shù)據(jù)顯示模塊。從機(jī)模塊上的12864液晶主要是用作顯示本機(jī)采集到的電壓值。而主機(jī)模塊上的12864液晶除了顯示主機(jī)采集到的電壓值，還能顯示出隨電源電壓變化的電壓值，并且精確到0.01V，并能夠?qū)崟r(shí)反映出模塊采集到的電壓的變化。

本設(shè)計(jì)采用的是串行顯示，實(shí)現(xiàn)顯示功能僅用了4個(gè)I/O口控制E，R/W，RS和PSB。這樣使得單片機(jī)系統(tǒng)電路更加精簡(jiǎn)、效率更高，同時(shí)節(jié)約了單片機(jī)的I/O口，為系統(tǒng)的升級(jí)和功能的擴(kuò)展預(yù)留了足夠的空間。顯示電路具體的I/O口控制接線如圖9所示，圖9為12864電壓顯示電路。

系統(tǒng)程序總流程圖如圖10所示，圖10為系統(tǒng)程序總流程圖。

3測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試前提條件：輸入電源采用20V/5A開關(guān)電源，負(fù)載用10Ω/36W大功率電阻、50MHz數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表等。

(1)輸入電源電壓波形。將示波器探頭接在輸入電源的輸出端上，接通電源，測(cè)得波形如圖11所示，圖11為輸入電壓波形。

從該圖可知，所使用的輸入電壓的實(shí)際值為20.0V，其紋波電壓有1.2V，可以說這種電源相較于市場(chǎng)上的同類電源是比較差的。所以正好可以用來測(cè)試本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源在惡劣環(huán)境下的表現(xiàn)。但考慮到開關(guān)電源的穩(wěn)定性，所以我在輸入級(jí)前端加入了一個(gè)1000uF/50V的電容，做濾波。

(2)未觸發(fā)主電路時(shí)，UC3842相應(yīng)管腳的波形。首先將UC3842的2腳懸空或接地，6腳懸空，3腳直接接地，接通電源，測(cè)得相關(guān)腳的波形，如圖12、13、14所示，圖12為UC3842的8腳波形，圖13為UC3842的4腳波形，圖14為UC3842的6腳波形。

UC3842的8腳為芯片工作輸出一個(gè)約為5V的電壓，4腳的輸出為一個(gè)鋸齒波(頻率為33.3K)，鋸齒波的振蕩頻率決定了6腳輸出的頻率。

在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的頻率應(yīng)為32K，但是實(shí)際中沒有完全理想的電阻電容，用4位半高精度萬能表測(cè)得的實(shí)際電阻電容值后，再代入公式計(jì)算本。其實(shí)際的頻率應(yīng)為33.1K，然后上電測(cè)試實(shí)際值，實(shí)測(cè)值為33.3K其誤差為0.6％。這個(gè)誤差還可以接受。

(4)輸出電壓V_PP測(cè)量。用示波器測(cè)量負(fù)載電阻兩端電壓波形，如圖15所示，圖15為輸出5V的電壓波形。

V_PP測(cè)量值在輸出為5V時(shí)為800mV，根據(jù)所測(cè)得的V_PP，可知V_PP值基本滿足設(shè)計(jì)要求，我用4位半高精度萬能表測(cè)得的值為5V，但是示波器上顯示是5.17V，這我認(rèn)為是測(cè)量誤差。我用電壓表測(cè)量，完全滿足，誤差不超過0.5％。

(5)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示頁面的準(zhǔn)確性

測(cè)了電壓為5V。其中在測(cè)5V時(shí)(最后一位在0和1跳動(dòng))，其電壓差僅有0.001V，可以說誤差相當(dāng)小。

(6)檢測(cè)LCD12864是否工作，如圖16所示，顯示正常，圖16為LCD12864顯示輸出電壓。