現(xiàn)今的可調(diào)式開關(guān)電源通常采用專用芯片，具有開發(fā)時間短、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；同時也具有功能受芯片限制等缺點(diǎn)。本文提出的可控式開關(guān)電源方案通過軟件控制改變數(shù)字電位器阻值來改變反激式開關(guān)電源反饋電壓從而改變輸出電壓的大小，使電源的輸出電壓范圍調(diào)整極其方便。

　　本開關(guān)電源輸出電壓可通過按鍵、USB總線等控制，并且輸出電壓可斷電記憶，控制方式也很容易擴(kuò)展（如擴(kuò)展RS232總線控制方式等）。輸出電壓范圍15～30V，電流可達(dá)5A，調(diào)節(jié)值1V。

　　1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，市電通過濾波后整流得到波動較大的直流電。電壓變換電路將高壓直流電轉(zhuǎn)換為期望得到的直流電壓。使用過程中通過鍵盤或者USB口對輸出電壓進(jìn)行預(yù)設(shè)，單片機(jī)將輸出電壓運(yùn)算為反饋電阻值從而輸出控制信號控制數(shù)字電位器電阻值改變?yōu)橛?jì)算值，進(jìn)而改變控制電路反饋端電壓?？刂齐娐穼⒎答侂妷号c基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，改變PWM波形的占空比，完成輸出電壓的調(diào)整。

圖1 離線數(shù)控反激式可調(diào)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

　　圖中光電隔離實(shí)現(xiàn)了電路輸入/輸出端隔離，使輸出端對地較低電位從而保證輸出直流電壓負(fù)極對人體安全。

　　控制電路選用UC3842，價格便宜，可靠性高。單片機(jī)選用AT89S51，其鍵盤電路以及顯示電路非常成熟，在此不再贅述，僅在后文中介紹部分控制方式的接口電路。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電壓變換主電路設(shè)計(jì)

　　圖2所示為電壓變換電路及部分保護(hù)電路，其主要由高頻變壓器T、MOSFET開關(guān)管Q1、電流測量電阻R2、肖特基二極管D5、濾波電感L3和濾波電容C3組成。對于變壓器T1，N1為輸入繞組、N2為輸出繞組、N3為給UC3842提供工作電壓的自饋繞組（自饋繞組在后文提到的UC3842供電電路圖3（a）方案中可省去）。

圖2 電壓變換主電路及部分保護(hù)電路

　　Q1的門極經(jīng)過門極保護(hù)電路后受控于UC3842的輸出控制引腳（即引腳6）。在電壓變換過程中如果輸入電壓改變，則UC3842輸出PWM占空比改變，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的效果。

　　濾波電容C3起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。由于可調(diào)電源通常用于實(shí)驗(yàn)室，因此對開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)要求較高。本設(shè)計(jì)通過采用多個SP電解電容并聯(lián)組成大電容的方式降低電容ESR對輸出電壓的影響，不僅能降低紋波電壓并且可以提高瞬態(tài)響應(yīng)。

　　2.2 控制部分供電電路設(shè)計(jì)

　　控制部分供電主要分為UC3842供電以及單片機(jī)系統(tǒng)供電。這里僅介紹UC3842的供電。

　　在以往的經(jīng)典設(shè)計(jì)中，UC3842的供電通常分為啟動供電和自饋供電兩部分。啟動供電是電源剛開機(jī)時由市電整流、電阻限流后提供給UC3842一大于16V的電壓。

　　UC3842一旦開始穩(wěn)定工作，啟動供電電路就基本停止工作轉(zhuǎn)由自饋線圈直接提供15V左右電壓的供電。

　　本設(shè)計(jì)中，由于輸出電壓變化較大，導(dǎo)致自饋線圈輸出電壓變化范圍也比較大，不能直接作為UC3842的供電電源。在設(shè)計(jì)過程中筆者對如圖3所示的兩種方案進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（a） 控制部分供電方案-1

（b） 控制部分供電方案-2

圖3 控制部分供電電路

　　其中圖（a）先通過變壓器將220V交流電變壓為一低電壓，然后整流、濾波得到25V直流電壓。在開機(jī)時，25V直流電壓經(jīng)TL431穩(wěn)壓到17V；單片機(jī)檢測到UC3842正常工作后，通過程序改變數(shù)字電位器R8的阻值，使TL431輸出電壓穩(wěn)壓到15V。

　　圖（b）電路中，UC3842的啟動供電很常見，不做詳細(xì)說明。UC3842正常工作后，自饋線圈N3產(chǎn)生17～34V的電壓。由于自饋電壓變化很大，限流電阻R5無法選取滿足TL431在所有自饋電壓范圍內(nèi)工作。在自饋電壓較高時TL431將該電壓變換為15V后供電給UC3842；自饋電壓低至TL431不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓時，由電阻R5和R6、R7分壓后給UC3842供電。

　　由上文可知，圖3（a）電路需要單獨(dú)的變壓電路以及整流電路，電源的體積、重量都較大；（b）電路需要增加一個副邊繞組，變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，同時漏感也相應(yīng)增大。

　　總的來說（b）電路更適合本設(shè)計(jì)。但是如果繼續(xù)增大輸出電壓的調(diào)整范圍，或電源輸出電壓和電壓的比值m很大時，可以看出來自饋繞組的電壓變化范圍為17V～m×17V。此時很難找到合適的穩(wěn)壓器件為UC3842提供工作電壓，此時（b）電路將不再適用。

　　2.3 高頻變壓器設(shè)計(jì)

　　高頻變壓器的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的。假定變壓器副邊效率為典型的85％，則查表選取西門子N27硅鐵氧體E55型磁芯。

　　電流臨界連續(xù)原邊電感值為：

　　其中，Uinmin為變壓器原邊直流電壓，本設(shè)計(jì)中Uinmin=200×1.3=260V；Ts為開關(guān)周期，本設(shè)計(jì)選擇Ts=33μs；Tonmax為開關(guān)管一周期內(nèi)導(dǎo)通的時間，本設(shè)計(jì)中Tonmax=15μ s； Pomin為輸出功率， 本設(shè)計(jì)中Pomin=3×15=45W；η為變換效率，本設(shè)計(jì)中假定η=85％。則Lpmin=4.4μH。

　　高頻變壓器原邊繞組少匝數(shù)為：

　　其中ΔBac為ac磁通密度，根據(jù)查表以及經(jīng)驗(yàn)選擇ΔBac=0.220T；Ae為磁芯橫截面積，查表知Ae=353mm2。則Np（min）=50.2，在這里取原邊繞組Np為51匝。

　　高頻變壓器氣隙為：

　　其中μr=4π×10-7。通過計(jì)算氣隙δ=0.2mm。

　　副邊繞組匝數(shù)：

　　其中Uo為輸出電壓，這里取值30V；UD為輸出整流二極管正向?qū)妷海?這里取0 . 7 V ；Toffmin+Tonmax=Ts，這里Toffmin=18μs。則N2=7.22匝，通過驗(yàn)證取8匝能達(dá)到很好的效果。

　　2.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　在開關(guān)電源電路中，電壓變換主回路通常比較簡單。

　　保護(hù)電路不僅在整個電路中占很大部分，且在開關(guān)電源中的作用也不可忽視。

　　如圖-3中，R1，C4，D6組成RCD箝位電路，防止因開關(guān)管忽然關(guān)斷由于漏感而產(chǎn)生高電壓；C5，R3，D7組成RCD緩沖電路，吸收開關(guān)管Q1導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間的較高浪涌尖峰電壓。

　　2.5 輸出電壓調(diào)節(jié)即反饋電路設(shè)計(jì)

圖4 開關(guān)電源調(diào)壓、反饋電路

　　如圖4所示，R23為數(shù)字電位器。R23電阻值的改變會引起反饋電壓的改變，反饋信號經(jīng)UC3842的2腳送到其內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈沖調(diào)制電路，從而對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制。在初始狀態(tài)時，輸出電壓為電壓30V；當(dāng)需要減小輸出電壓時，單片機(jī)重新設(shè)置數(shù)字電位器為一較大阻值，從而增大反饋電壓相對于輸出電壓的比例，反饋電壓增大，則UC3842取樣電壓升高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖寬度變窄，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在較低值。實(shí)際應(yīng)用中也可通過選用帶記憶功能的數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)電壓記憶功能。

　　3 基于USB的數(shù)控通信接口設(shè)計(jì)

　　數(shù)控通信方式已驗(yàn)證有多種可行方案，由于篇幅有限在本文中僅僅介紹基于USB總線的一種數(shù)控方式。

　　USB（通用串行總線）其安裝簡單，支持即插即用、熱插拔、多設(shè)備并聯(lián)，并可提供較大的帶寬。由于以上優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已成為計(jì)算機(jī)對外設(shè)的主要通信端口。在數(shù)控開關(guān)電源中使用USB總線可有效擴(kuò)展電源的使用范圍。

　　在本設(shè)計(jì)中使用了南京沁恒電子有限公司的CH372，該芯片外圍元器件簡單，使用方便，驅(qū)動程序以及DLL動態(tài)鏈接庫也已提供。圖5為單片機(jī)和CH372的接口電路。

圖5 單片機(jī)和CH372接口電路

　　CH372接收到USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，鎖存USB緩沖區(qū)，同時設(shè)置INT#引腳為低電平。單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取中斷狀態(tài)，并讀取數(shù)據(jù)或指令。

　　單片機(jī)通過CH372發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先向CH372寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，CH372等待USB主機(jī)讀取數(shù)據(jù)后即鎖定USB緩沖區(qū)并拉低INT#引腳。

　　4 結(jié)束語

　　本方案已通過大量試驗(yàn)證明其可行性。少量更換電路器件后可實(shí)現(xiàn)電壓更大范圍的調(diào)節(jié)，具有很好的擴(kuò)展可能。