开关稳压电源DIY之硬软件设计

由于能够方便快捷的获得多种等级不同的电源，开关稳压电源在近几年内迅速在电源设计市场拥有了一席之地。此外，开关稳压电源还拥有体积小、重量轻等特点，小编在上一篇文章当中为大家介绍了开关稳压电源的原理，在本文中，小编则为大家介绍开关稳压电源中的软件与硬件分析。

整体设计

图1 总体设计框图

单片机通过键盘控制电压的步进，经过单片机控制D/A提供一个参考电压，与输出电压的反馈分压进行比较，在TL494内部的电压误差放大器产生一个高或低电平，控制脉宽变化，来达到调整输出电压的变化，反复调整后使输出达到设定得值为止。参考电压输出后电压的反馈调节是由TL494自动调节的，调节速度快。

由于本设计对效率的要求比较高，所以在设计时尽量选用低功耗的单片机，而且单片机的外围电路要尽量少，本系统外围电路只有键盘，显示，和4个运放（A/D和D/A集成在C8051F020内部），这样可以尽可能的提高效率。框图见图1。

理论分析与参数计算

主回路器件的选择及参数设计

磁芯和线径选择。当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于总导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。线径的选择主要由本系统的开关频率确定。开关频率越大，线径越小，但是所允许经过的电流越小，并且开关损耗增大，效率降低。本系统采用的频率为44K，查表得知在此频率下的穿透深度为0.3304mm，直径应为此深度的2倍，即为0.6608mm。选择的AWG导线规格为21#，直径为0.0785cm（含漆皮）。磁芯选择铁镍钼磁芯，该磁芯具有高的饱和磁通密度，在较大的磁化场下不易饱和，具有较高的导磁率、磁性能稳定性好（温升低，耐大电流、噪声小），适用在开关电源上。

控制电路设计与参数设计

控制电路选用TL494来产生PWM波形，控制开关管的导通，Rt，Ct选择为102和24K，频率为，为44KHz。软启动电路由14脚和4脚接电阻和电容来实现，通过充放电来实现。启动时间为（=10uF，R=1K）。13号脚接地，采用单管输出，进一步降芯片内部功耗。

效率的分析

由于要求DC/DC变换器（控制器）都只能由Uin端口供电，不能另加辅助电源，所以单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低。为此，在设计本系统时单片机采用低功耗单片机C8051F020，该系统集成了8路12位A/D和两路12位D/A.减少了外加A/D和D/A的功耗。提高效率主要是要降低变换器的损耗，变换器的损耗主要有MOSFET导通损耗，MOSFET开关损耗MOSFET驱动损耗，二极管的损耗、输出电容的损耗，和控制部分的损耗，这些损耗可以通过降低开关频率等方法来降低。各级损耗的计算方法为：导通损耗、开关损耗、门级驱动损耗、二极管的损耗、输出电容的损耗。

保护电路设计与参数设计

康铜电阻的大小选择：康铜丝主要起两个作用，过流保护和测试负载电流。康铜丝接在整流输入地和负载地之间，越小越好，这样会使两个地之间的电压很小。但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比较高，经过实验，选择0.1欧姆的电阻效果比较好。由于电阻太小，难以测量，所以先测得1欧姆的电阻，然后截取其长度的十分之一。

TL494片内有电流误差放大器。可用于过流保护。康铜电阻上的压降，与预先调好的值进行比较。若电流过大，输出高电平，阻止PWM信号产生，开关管处于关断状态，使输出电压降低，形成保护功能。一旦输出电压降低，导致输出电流降低，检测电压降低，电流误差放大器就会输出低电平，重新产生PWM波形，所以该电路具有自恢复功能。

数字设定及显示电路的设计：

由于在输出端采样时测得的反馈电压为输出电压的二十四分之一，即分压为1.5V时输出为36V，分压为1.25V时输出为30V，设计中采用了12位D/A转换精度为0.61mV（参考电压为2.43V），直接输出给TL494提供参考电压。此外还设置了三个A/D芯片，分别采集输出电压，输出电流，和输入电流。为了降低功耗，设计中采用了8位数字显示的LCD，SMS0801B为共阴级，下降沿有效，可显示采样得到的各个采样量。

硬件核心电路如下：

图2 DC-DC主回路原理图

本文对于开关稳压电源的硬件与软件设计进行了非常全面的介绍，将其中各个知识节点分门别类的罗列讲解，是对于新手来说是非常值得阅读的一篇文章，希望大家在读过本文之后能够有所收获。