本發(fā)明涉及一種用于電能變換場合下進行直流降壓的開關電源，特別涉及一種采用雙閉環(huán)的反饋機制、集成PWM控制器、實時電壓顯示，反饋及各電路有機結合而構成的5V開關電源裝置。

背景技術：

隨著社會的發(fā)展，科學技術不斷進步，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，開關電源具有很多明顯的優(yōu)勢，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，并且調整管的功率損耗也相對較大，致使電源的體積和重量大、效率很低。因而開關電源被譽為高效節(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。關鍵元器件在開關電源內部工作在高頻開關狀態(tài)，所以本身消耗的能量很低，好的電源效率可以達到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，開關電源在某一點比線性電源的成本要高，但隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，開關電源也在不斷地進步，其成本也在不斷地降低，這就為開關電源的發(fā)展提供了廣泛的空間。本設計的一種低噪聲高可靠性智能化5V開關電源裝置采用雙閉環(huán)的反饋機制、集成PWM控制器、實時電壓顯示，反饋及各電路有機結合而構成了5V開關電源裝置。其裝置性能高、體積小、更加智能，且可靠性更高。

技術實現(xiàn)要素：

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

直流電源在很多場合都需要用到，很多電子設備都是5V直流電源供電，如果電源的穩(wěn)壓性能不好，則會使設備的芯片等部件燒毀，甚至造成更嚴重的后果，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，開關電源則不一樣，他的出現(xiàn)可以彌補線性電源的不足。

本設計一種低噪聲高可靠性智能化5V開關電源裝置與市面上的現(xiàn)行電源裝置功能大致相同，都是為負載設備提供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，電阻負載情況下，設計出的開關電源滿足以下幾點。

(1)輸出電壓5V；

(2)穩(wěn)定時間小于0.5秒；

(3)V_PP小于800mV；

(4)具有電壓顯示功能；

(5)具有短路保護功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體設計方案框圖；

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變換器開關波形圖；

圖6是本發(fā)明的控制和驅動電路圖；

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。

具體實施方式

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

1總體設計方案

根據(jù)設計要求，本次設計的5V開關電源將包括：電源輸入電路、DC/DC(Buck)變換主電路、控制電路、驅動電路、電壓顯示電路等。由這幾個模塊電路可以組成總體設計方案的框圖，如圖1所示，圖1為總體設計方案框圖。

總體設計方案中，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、驅動電路使主電路工作，采樣輸出送入控制電路與基準電壓做比較，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各模塊電路設計

2.1主電路設計

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{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直流輸入并不對人生安全構成威脅，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)明主電路的設計要求，降壓斬波電路是最基本的斬波電路，電路非常簡單，成本低，可靠性高，驅動電路簡單，適用于幾瓦～幾百瓦的小功率電子設備電源。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。

本設計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)開關管的動作分為兩種模式。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)，在一個開關周期的起始時刻(t＝0)，開關管Q_S導通。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，在時間t_on內電感電流將從I₁線性增長至I₂，因此

模式1的連續(xù)時間為

因此，在模式1電感處于儲能階段。

模式2(t_on＜t≤T)

當開關管Q_S在t＝t_on時刻關斷，進入模式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管Q_S關斷前流過的電流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正偏導通。如果沒有續(xù)流二極管，給開關管供電的電源會出現(xiàn)一個負的電壓尖峰。隨著電感中的能量傳輸給電容并被負載消耗，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內由I₂線性減小至I₁。

即

模式2的持續(xù)時間為

電感電流峰-峰值為

穩(wěn)定運行狀態(tài)下，在時段0＜t≤t_on和t_on＜t≤T內，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。當負載變化或者輸入電壓波動時，由Buck變換器實現(xiàn)的電壓調節(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制的反饋方法實現(xiàn)，這將在控制電路的設計中討論。開通時間t_on和關段時間t_off的定義為

開關周期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，輸出電容在一個開關電源周期內充、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I_L(t)大于I_a時(即I_C(t)流入電容)輸出電容充電；當I_L(t)小于I_a時輸出電容放電。設負載電流恒定，則電感電流的變化為

Δi_L＝Δi_C+Δi₀≈Δi_C (16)

因此充、放電的時間在一個開關周期內必然相等，而且均等于半個開關周期。平均充電或放電電流在(t_on/2)+(t_off/2)＝(T/2)內為

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載并聯(lián)，因此電容紋波電壓Δu_C等于輸出紋波電壓Δu₀?？梢钥吹?，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變換器的開關波形如圖5所示，圖5為Buck變換器開關波形。由于輸入電流不連續(xù)，通常需要一個輸入濾波器用于減小電磁干擾(EMI)，它由一個串聯(lián)電感和一個并聯(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。在開通時刻，輸出電感電流比所需的負載電流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)的結束時刻，即DT時刻。電容最大放電電流I₁-I_a出現(xiàn)在開關周期的結束時刻。要注意電容紋波電壓滯后于電流90°。

如果忽略開關損耗，通過計算開關管Q_S，與續(xù)流二極管D_fw的導通損耗可以得到Buck變換器的效率。導通損耗表達式為

這里R_on為開關管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。

因此Buck變換器的效率為

顯然，減少R_on和提高效率。

2.2控制電路和驅動電路設計

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，即發(fā)出PWM波及電壓、電流保護等。由于單片機供電電壓一般小于等于5V，不能直接驅動開關管；UC3842的輸入電源可以直接接20V，能直接驅動MOSFET或IGBT，故采用UC3842電源管理芯片發(fā)出PWM波驅動MOSFET，UC3842具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動功率MOSFET的理想器件。

驅動電路就是去控制主電路中電力電子器件的導通與關斷，主要作用是將控制信號放大和隔離，由于本發(fā)明采用UC3842控制芯片(其可以直接驅動MOSFET和IGBT)，又考慮到經(jīng)濟性與電路的簡單化，于是采用直接驅動，直接驅動就是控制信號不加處理，直接驅動電力電子器件的導通與關斷，不需要任何輔助電路。其適用控制電路信號可直接驅動MOSFET等開關器件的電路。

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20Ω的尖峰抑制電阻R₃，旁路電容C₂～C₅都取0.1uF，其控制驅動電路如圖6所示，圖6為控制和驅動電路。

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UC3842)采用改變分壓反饋電阻的比值實現(xiàn)，UC3842內部比較電壓為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)，符號設計要求。

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

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

2.3顯示電路設計

(1)控制芯片方案選擇

電壓顯示電路就是實時監(jiān)控(顯示)主電路的電壓。根據(jù)我們所學知識，單片機是做數(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(STC12C5A60S2)和液晶顯示屏制作數(shù)字電壓表。此款單片機內部自帶10位的A/D，工作頻率0-35M，速度快，精確度隨所測量電壓值增大而減小，而且其電路簡單，可靠性強，成本低。

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

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

(2)顯示器方案選擇

在本次設計中，有必要將電壓等參數(shù)實時顯示出來，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，但是價格相對比較貴，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，由于本次設計需要顯示的信息量不是很多，LCD12864液晶完全能夠滿足本設計所需的要求，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，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；液晶的顯示分辨率為128×64，內置8192個16×16點漢字，和128個16×8點ASCII字符集。可以顯示8×4個點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。

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

本設計采用的是串行顯示，實現(xiàn)顯示功能僅用了4個I/O口控制E，R/W，RS和PSB。這樣使得單片機系統(tǒng)電路更加精簡、效率更高，同時節(jié)約了單片機的I/O口，為系統(tǒng)的升級和功能的擴展預留了足夠的空間。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測試結果與分析

測試前提條件：輸入電源采用20V/5A開關電源，負載用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上的同類電源是比較差的。所以正好可以用來測試本設計的開關電源在惡劣環(huán)境下的表現(xiàn)。但考慮到開關電源的穩(wěn)定性，所以我在輸入級前端加入了一個1000uF/50V的電容，做濾波。

(2)未觸發(fā)主電路時，UC3842相應管腳的波形。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，測得相關腳的波形，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約為5V的電壓，4腳的輸出為一個鋸齒波(頻率為33.3K)，鋸齒波的振蕩頻率決定了6腳輸出的頻率。

在本設計中，設計的頻率應為32K，但是實際中沒有完全理想的電阻電容，用4位半高精度萬能表測得的實際電阻電容值后，再代入公式計算本。其實際的頻率應為33.1K，然后上電測試實際值，實測值為33.3K其誤差為0.6％。這個誤差還可以接受。

(4)輸出電壓V_PP測量。用示波器測量負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測量值在輸出為5V時為800mV，根據(jù)所測得的V_PP，可知V_PP值基本滿足設計要求，我用4位半高精度萬能表測得的值為5V，但是示波器上顯示是5.17V，這我認為是測量誤差。我用電壓表測量，完全滿足，誤差不超過0.5％。

(5)檢測數(shù)據(jù)顯示頁面的準確性

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

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