引言

　　隨著電源電子技術的高速發展，普通的開關(guan) 電源逐漸顯示出了其在現代高科技產(chan) 品設計中的眾(zhong) 多不足之處，尤其是開關(guan) 電源的智能化要求。然而，數字控製開關(guan) 電源卻在這方麵突現了優(you) 勢，數字控製易於(yu) 采用先進的控製方法和智能控製策略，可以從(cong) 根本上提高係統的性能指標,減少控製電路的元器件數量，縮小控製板體(ti) 積，提高係統的抗幹擾能力，提高控製係統的可靠性[1]。本文設計一種基於(yu) PWM控製器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調數字控製開關(guan) 電源。該電源主要用於(yu) 產(chan) 品的測試和開發，也可以做智能控製的電源。

2 總體(ti) 設計方案

　　數字控製開關(guan) 電源是一種基於(yu) 數字信號控製調節其輸出電壓的、初步實現開關(guan) 電源的數字化和智能化控製的電路係統。電壓可調數字控製開關(guan) 電源要求由按鈕控製電壓輸出值在5～40V範圍內(nei) 的步加、步減調節，步進精度為(wei) 0.2V，並隨時可以調回最低值或預置為(wei) 最高值，輸出電壓的精度不低於(yu) 0.1V[2]，最大輸出功率不低於(yu) 20W。

2.1係統設計

　　設計一種基於(yu) TOP234Y的電壓可調數控開關(guan) 電源，利用PWM原理控製占空比，采用可逆計數器計數並經數模轉換放大做控製信號，對輸出電壓進行相對較大範圍的調節，由反饋電路確保電壓的穩定性，數字芯片電源由內(nei) 部電源提供。

　　按功能係統可基本劃分為(wei) 兩(liang) 大部分，即開關(guan) 電源的模擬部分和數字控製部分。模擬部分實現開關(guan) 電源電壓的整流、濾波、功率變換、限流保護等功能；數字控製部分主要是通過計數調壓控製信號調節PWM占空比來改變電壓輸出值並控製反饋信號以保持電壓輸出值的穩定。

2.2基本設計思路

　　係統結構主要包括模擬開關(guan) 電源、反饋電路、PWM及比較器控製和數字調壓控製四大模塊。其係統原理框圖如圖1所示。

　　模擬開關(guan) 電源部分對輸入交流市電進行濾波、抗電磁幹擾處理、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(hui) 隨數控調節不斷改變，所以開關(guan) 功率變換次級輸出隻能在經過穩壓處理才能用作內(nei) 部電源，這裏在電壓不超過最大值的情況下采用三端穩壓器。

　　開關(guan) 電源反饋采用輸出電壓的雙向控製。調壓控製信號和反饋信號采用比較器作比較放大後送PWM控製器，使兩(liang) 者不會(hui) 產(chan) 生衝(chong) 突，也不會(hui) 漏掉其中任一控製信號，兩(liang) 者同時控製開關(guan) 脈衝(chong) 的占空比來調節和穩定電壓[3]。控製信號的電壓與(yu) 輸出電壓的關(guan) 係是由PWM控製器實現線性控製，故PWM控製器必須用線性PWM控製器件。

　　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。轉化後的反饋信號電壓與(yu) 脈衝(chong) 調製器前置的比較器的計數調壓控製電壓比較後的電壓偏低，導致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降[4]；反之亦然。調壓控製的原理與(yu) 反饋控製原理相似，但這裏集成在TOP芯片中。

　　在數字調壓控製模塊，由按鈕控製計數器的步加、步減、清零和預置為(wei) 最大值，並由計數器輸出一個(ge) 相應的電壓信號。計數器輸出的信號為(wei) 數字量，故須再經數模轉換形成相應的控製電壓，即數字調壓控製信號。

3電路設計

3.1 PWM控製器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX介紹

　　TOPSwitch-FX係列有三種封裝形式，其中TO-220-7B封裝有5個(ge) 引出端，它們(men) 分別是控製端C、多功能端M、源極S、開關(guan) 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(cong) 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、控製電壓源、帶隙基準電壓源、頻率抖動振蕩器、並聯調整器/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，當控製端電流IC在規定範圍內(nei) ，而多功能端的輸入電流IM為(wei) 定值時，脈寬調製器的輸出占空比Dmax與(yu) IC成反比。PWM的增益為(wei) ：
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(jin) 與(yu) IC有關(guan) ，還取決(jue) 於(yu) 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(guan) 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於(yu) 還是低於(yu) 鉗位電壓[6]。但在電壓可調的開關(guan) 電源中，因為(wei) 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(wei) 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(liang) 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(ti) 的電路是在第二路輸出經整流濾波後加延時器，再與(yu) 第一路進行比較，從(cong) 而實現縱向比較。而為(wei) 了在調壓時禁止反饋，反饋輸出後加脈衝(chong) 控製反饋電路的通斷，當有調壓脈衝(chong) 信號存在時，反饋通路中斷，這裏由壓控繼電器來實現。另外，由於(yu) 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後進行反饋。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]。

3.3 數字調壓控製電路

　　該模塊包括計數控製電路和數模轉換電路。電源整體(ti) 輸出電壓為(wei) 5至40V，步長值設計為(wei) 0.2V，總計數次數為(wei) 175次，故須采用八位二進製計數器。從(cong) 0開始計數，計數到175，即二進製數的10101111，輸出信號送數模轉換器，並進行功率放大。因為(wei) ΔD與(yu) ΔIC成反比，即占空比的變化與(yu) 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引腳接步減控製按鈕，而DOWN引腳接步加按鈕，計數器清零時輸出電壓最大，預置為(wei) 最高時輸出電壓最小。

3.3.1計數控製電路

　　控製按鈕為(wei) 四鍵，分別用於(yu) 步加、步減、清零和預置為(wei) 最大值。可逆計數器采用兩(liang) 隻74LS193級聯形成八位二進製計數器。74LS193是一種雙時鍾4位二進製同步可逆計數器，具有預置、清零、加和減計數功能[8]。兩(liang) 片74LS193采用級聯方式，第一片的CLR通過電壓置高開關(guan) 接數字電源。LD接地，即預置功能在輸出為(wei) 最低時有效，預置數據均接高電平。UP、DOWN上拉為(wei) 高電平，分別通過電壓步減、步加開關(guan) 按鈕接振蕩脈衝(chong) 信號源。第一片的CO為(wei) 0時，加計數進位，BO為(wei) 0時，減計數借位。第二片的計數控製由LD執行控製功能，即CO、BO分別取反後一起接LD，其它接法與(yu) 第一片相同，組成一個(ge) 八位二進製可逆計數器。當計數到175時，加無效，當計數為(wei) 0時，減無效。即當輸出為(wei) 10110000時，計數器清零。當輸出為(wei) 00000000時，執行減操作則計數器預置為(wei) 最大值[9]。#p#分頁標題#e#

3.3.2 數模轉換電路

　　數字調壓控製電路輸出送至數模轉換器，這裏因為(wei) 沒有要求其它附加功能，故采用一隻ADC6080作為(wei) 數模轉換[10]，其轉換信號提供給功率放大電路[11]。

3.4比較器及PWM控製電路

　　TOPSwitch-FX係列芯片集成了保護電路、PWM控製器及MOSFET管，這裏可直接采用TO-220-7B型封裝的TOP234Y型FX芯片。其中接數控信號與(yu) 接反饋信號進行比較放大後接控製端C，M端通過大電阻接電輸入正極[12]．

3.5輸出穩壓電路

　　輸出分為(wei) 兩(liang) 路，第一路經整流、濾波作開關(guan) 電源輸出；第二路為(wei) 數字IC提供電源。在整個(ge) 控製電路中，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(hui) 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(wei) 了設計簡便，這裏用集成三端穩壓器。隻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(yu) 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

　　設計了一種基於(yu) PWM控製器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的數控開關(guan) 電源，對一些關(guan) 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(guan) 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：設計一種基於(yu) PWM控製器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的電壓可調數字控製開關(guan) 電源，實現對5～40V範圍內(nei) 電壓的步加、步減調節，步進精度為(wei) 0.2V，並且通過雙向反饋電路提高電壓穩定性。