摘 要：基于PWM（脈沖寬度調制）控制器和MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應管）集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y，分析和探討了電壓可調數字控制開關電源電路的設計。要求對5～40V范圍內電壓的步加、步減調節，步進精度為0.2V，并通過雙向反饋電路提高電壓穩定性。 關鍵詞：數控開關電源 TOPSwitch-FX 計數控制 數模轉換器 電路設計 1 引言 　　隨著電源電子技術的高速發展，普通的開關電源逐漸顯示出了其在現代高科技產品設計中的眾多不足之處，尤其是開關電源的智能化要求。然而，數字控制開關電源卻在這方面突現了優勢，數字控制易于采用先進的控制方法和智能控制策略，可以從根本上提高系統的性能指標,減少控制電路的元器件數量，縮小控制板體積，提高系統的抗干擾能力，提高控制系統的可靠性[1]。本文設計一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調數字控制開關電源。該電源主要用于產品的測試和開發，也可以做智能控制的電源。 2 總體設計方案 　　數字控制開關電源是一種基于數字信號控制調節其輸出電壓的、初步實現開關電源的數字化和智能化控制的電路系統。電壓可調數字控制開關電源要求由按鈕控制電壓輸出值在5～40V范圍內的步加、步減調節，步進精度為0.2V，并隨時可以調回最低值或預置為最高值，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系統設計 　　設計一種基于TOP234Y的電壓可調數控開關電源，利用PWM原理控制占空比，采用可逆計數器計數并經數模轉換放大做控制信號，對輸出電壓進行相對較大范圍的調節，由反饋電路確保電壓的穩定性，數字芯片電源由內部電源提供。 　　按功能系統可基本劃分為兩大部分，即開關電源的模擬部分和數字控制部分。模擬部分實現開關電源電壓的整流、濾波、功率變換、限流保護等功能;數字控制部分主要是通過計數調壓控制信號調節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定。 　　2.2基本設計思路 　　系統結構主要包括模擬開關電源、反饋電路、PWM及比較器控制和數字調壓控制四大模塊。其系統原理框圖如圖1所示。 　　模擬開關電源部分對輸入交流市電進行濾波、抗電磁干擾處理、整流、功率變換和穩壓等。數字器件要求提供的電源基本保持不變，但輸出電壓會隨數控調節不斷改變，所以開關功率變換次級輸出只能在經過穩壓處理才能用作內部電源，這里在電壓不超過最大值的情況下采用三端穩壓器。 　　開關電源反饋采用輸出電壓的雙向控制。調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，使兩者不會產生沖突，也不會漏掉其中任一控制信號，兩者同時控制開關脈沖的占空比來調節和穩定電壓[3]。控制信號的電壓與輸出電壓的關系是由PWM控制器實現線性控制，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入比較器經比較輸出的電壓也偏高。轉化后的反饋信號電壓與脈沖調制器前置的比較器的計數調壓控制電壓比較后的電壓偏低，導致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降[4];反之亦然。調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。 　　在數字調壓控制模塊，由按鈕控制計數器的步加、步減、清零和預置為最大值，并由計數器輸出一個相應的電壓信號。計數器輸出的信號為數字量，故須再經數模轉換形成相應的控制電壓，即數字調壓控制信號。 3 電路設計 　　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、利用線路電壓前饋來降低占空比Dmax、從外部設定芯片的極限電流ILIMIT等功能。 　　TOPSwitch-FX主要由門驅動級和輸出級、控制電壓源、帶隙基準電壓源、頻率抖動振蕩器、并聯調整器/誤差放大器、脈寬調整器等主要部分組成。它的工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比Dmax，達到穩定電壓的目的。例如，當輸出電壓UO↑時，經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，當控制端電流IC在規定范圍內，而多功能端的輸入電流IM為定值時，脈寬調制器的輸出占空比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，還取決于IM值[5]。 　　3.2 配有TL431的光耦合雙向反饋電路 　　目前，在普通開關電源中可由多種方式進行輸出反饋。在輸出電壓采樣電路中，一般有鉗位電路。基本原理是比較輸出電壓是高于還是低于鉗位電壓[6]。但在電壓可調的開關電源中，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，同時在調壓時禁止反饋。 　　具體的電路是在第二路輸出經整流濾波后加延時器，再與第一路進行比較，從而實現縱向比較。而為了在調壓時禁止反饋，反饋輸出后加脈沖控制反饋電路的通斷，當有調壓脈沖信號存在時，反饋通路中斷，這里由壓控繼電器來實現。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行放大，中間加比較器放大器后進行反饋。同時在電路中對輸出采用光耦合器件TL431隔離，提高電壓調整率[7]。其基本電路原理圖如圖2所示。 　　3.3 數字調壓控制電路 　　該模塊包括計數控制電路和數模轉換電路。電源整體輸出電壓為5至40V，步長值設計為0.2V，總計數次數為175次，故須采用八位二進制計數器。從0開始計數，計數到175，即二進制數的10101111，輸出信號送數模轉換器，并進行功率放大。因為ΔD與ΔIC成反比，即占空比的變化與IC的變化成反比。當IC變大時，占空比減小，輸出電壓降低，反之，當IC變小時，輸出電壓增大，所以在計數器的UP引腳接步減控制按鈕，而DOWN引腳接步加按鈕，計數器清零時輸出電壓最大，預置為最高時輸出電壓最小。 　　3.3.1計數控制電路 　　控制按鈕為四鍵，分別用于步加、步減、清零和預置為最大值。可逆計數器采用兩只74LS193級聯形成八位二進制計數器。74LS193是一種雙時鐘4位二進制同步可逆計數器，具有預置、清零、加和減計數功能[8]。兩片74LS193采用級聯方式，第一片的CLR通過電壓置高開關接數字電源。LD接地，即預置功能在輸出為最低時有效，預置數據均接高電平。UP、DOWN上拉為高電平，分別通過電壓步減、步加開關按鈕接振蕩脈沖信號源。第一片的CO為0時，加計數進位，BO為0時，減計數借位。第二片的計數控制由LD執行控制功能，即CO、BO分別取反后一起接LD，其它接法與第一片相同，組成一個八位二進制可逆計數器。當計數到175時，加無效，當計數為0時，減無效。即當輸出為10110000時，計數器清零。當輸出為00000000時，執行減操作則計數器預置為最大值[9]。 　　數字調壓控制電路圖如圖3所示。 　　3.3.2 數模轉換電路 　　數字調壓控制電路輸出送至數模轉換器，這里因為沒有要求其它附加功能，故采用一只ADC6080作為數模轉換[10]，其轉換信號提供給功率放大電路[11]。數模轉換電路如圖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。其中接數控信號與接反饋信號進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輸出穩壓電路 　　輸出分為兩路，第一路經整流、濾波作開關電源輸出;第二路為數字IC提供電源。在整個控制電路中，所有的數字芯片都需要恒壓電源，但是在輸出電壓調節過程中，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。為了設計簡便，這里用集成三端穩壓器。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 結論 　　設計了一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的數控開關電源，對一些關鍵技術進行了詳細的介紹和分析。如果要求更高精度的可調電源時可以增加計數器和數模轉換的位數，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，文中對開關電源的一些重要參數如空載功耗等的研究沒有涉及，有待進一步研究。 　　本文作者創新點：設計一種基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調數字控制開關電源，實現對5～40V范圍內電壓的步加、步減調節，步進精度為0.2V，并且通過雙向反饋電路提高電壓穩定性。 參考文獻： 　　[1]周新征,曾春年.TOPSwitch-II系列單片機開關電源的設計與應用[J].微計算機信息.2004,9:1-3. 　　[2]王立欣,楊春玲.電子技術實驗與課程設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2003,165. 　　[3]任元元,張志國,孫慶軍,等.數控開關電源在遙測系統中的應用[J].遙測遙控,20（4）:30. 　　[4]劉奇元,朱石沙,王啟新,等.一種基于PWM技術的數控高壓源設計[J].湘潭大學自然科學學報,26（1）:12 . 　　[5]周志敏,周紀海,紀愛華,等.單片開關電源[M].北京:電子工業出版社,2004,17,32-39. 　　[6]李金伴,李捷輝,李捷明.開關電源技術[M].北京:化學工業出版社,2006,1-2. 　　[7]戴佳,戴衛恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京:電子工業出版社,2006,450. 　　[8]康華光.電子技術基礎數字部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2000,252-253,389. 　　[9]馬積勛,張錫賡.電子技術基礎考研精要與典型題解析[M].西安:西安交通大學出版社,2002,254. 　　[10]周明德.微型計算機原理及應用（第四版）[M].北京:清華大學出版社,2002,341. 　　[11]康華光.電子技術基礎模擬部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1999,210-211. 　　[12]馮文禮.TOP開關電源的設計與制作.遼寧工學院學報[J],2002,（22）11-12. 　　[13]黃智偉等.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M].北京:電子工業出版社,2005,75. PDF資料請點擊下載：數字控制開關電源的設計