在线可调电源模块的设计与实现

印 月，王 栋，高 策，舒 心，樊金柱，田 宇

(1.四川大学 电气信息学院电工电子基础教学实验中心，四川 成都 610065；2.四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

为推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风，四川大学定期开展 “大学生创新活动”，培养学生工程实践的素质、提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力。

目前，在实验课程中学生所使用的仪器，包括函数信号发生器、示波器、万用表都是分开的单独的仪器设备，体积大，受实验时间与地点的限制影响很大，极不利于自主实验探究。而 “口袋实验室”凭借其轻便的装置与简洁的优势，能够让实验实现 “anywhere and anytime”，从而使学生获得更多的实验机会与乐趣，也为学生的创新探索提供了广阔的平台。

“口袋实验室”是一款方便在更灵活的时间与地点进行实验的模拟电路实验设备，分为硬件和软件两部分。硬件部分将电源、信号源、示波器和万用表等模块集成一体，软件部分将硬件检测并采集到的信息数据显示到电脑界面，以实现对数据参数的实时监测与控制。“口袋实验室”的设计主要分为电源、仪器仪表、软件界面3个部分。本文主要介绍电源模块的设计与搭建，使其作为其他模块的可控供能装置，具有更好的可视性、便携性与可操作性。

在线可调电源模块主要利用USB数据线与学生个人电脑连接，通过对电脑界面中的 “口袋实验室的仪器操作平台”中的电源模块控制界面的参数设置，实现对电源硬件部分的实时调控以及对其他模块的供能。电源模块由单片机进行操作与显示来验证电路的可行性，不涉及软件编程部分，主要包括固定电源和可调电源两个部分。本文主要实现以DC－DC降压电路为基础，在自然环境温度(0～40℃)下，得到可调输出电压0～19 V，功率15 W，步进电压0.1 V，并能以数字方式显示的在线可调电源。

1 固定电源的设计

1.1 固定电源的设计基本原理

固定电源主要为单片机或DSP等不需要过高功率的模块和器件提供稳定可靠的5 V以及3.3 V电源。在固定电源设计中本小组选用了AMS1117稳压电路。ASM1117为正电压输出的三端线性稳压电路。在输出1 A电流时，输入输出的电压差典型值为1.8 V。AMS1117分为固定电压输出和可调电压输出两个版本，固定输出版本的输出电压可以为1.8 V、3.3 V或5.0 V，可调电压输出版本能提供的输出电压范围为1.8 V～5.5 V。AMS1117内部集成过热保护和限流电路，确保芯片和电源系统的稳定性。AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的，漏失电压定义为VDROP=VBE＋VSAT。为了确保AMS1117的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少22 μF的钽电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流的增加而降低。

固定电源部分设计原理图如图1所示，12 V的输入电压经过两级电容滤波，传输到AMS1117进行降压，再经过稳压二极管和LC滤波器稳压得到5V电压。5 V电压又可以作为输入电压经过类似的AMS1117稳压电路得到3.3 V电压，电路图与图1类似。

图1 AMS1117稳压电路图

1.2 固定电源的设计小结

按照图1的AMS1117稳压电路进行设计，经实际电路测试，测试结果为空载时，当输入12 V模拟电压，测得两路输出电压为5.0 V和3.3 V；负载为50 Ω(滑动变阻器)时，最大输出电流可以达到560 mA，纹波在15～25 mV间变化。设计结果可以满足基本功率要求。

2 可调电源的设计

在可调电源设计中，以DC－DC降压斩波电路为核心，采用TL494固定频率脉宽调制芯片产生PWM波，进行闭环反馈控制，以IR2111芯片作为驱动，从而实现电路稳压输出。

2.1 主电路设计原理

可调电源设计为一个DC－DC降压器，该电路由主电路、闭环反馈回路、单片机采样显示及控制电路、辅助电源组成，主电路为buck拓扑结构。即在一个控制周期开始时刻，驱动开关S使其导通，则二极管D承受反向电压处于截止状态。此时电源向负载输出能量，电感L储存能量，由于L的存在，使负载电流按指数规律缓慢上升。到某个时刻，开关S关断，则直流电源与负载端开，由于电感储存的能量需要释放，所以二极管D承受正向电压导通，负载电流经D续流，此时电流按指数规律下降[1－3]。

一般情况下，都要求额定负载时电路工作在电流连续模式。降压型斩波电路负载电压平均值为:

式中，ton为开关S开通时间，D为占空比。

在电流连续工作模式下，降压型斩波电路可以看作为一个直流降压变压器，其等效变压比可通过调节占空比在0～1范围内连续可调。

实际中电路是在原有理论buck电路中加入电容和滑动变阻器，如图2所示。从电路可以看出，电感L1和电容C1～C4组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使开关管输出电压的直流分量可以通过，而抑制谐波分量；电容上输出电压就是开关管输出电压的直流分量(含微小纹波)。滑动变阻器将输出电压分压，作为反馈电压反馈给控制电路。

图2 主电路

2.2 控制及驱动电路

在可调电源电路设计中，闭环反馈选用由TL494控制，通过调节PWM波占空比，使输出电压或电流稳定。TL494的集电极或发射极输出经IR2111变为一组反相PWM驱动开关管。单片机经精密采样电阻采集电流信息，输入到单片机中进行运算从而显示，同时通过单片机DA模块改变TL494的参考电压改变电压[4－8]。

对TL494脉宽调节的原理的控制过程:首先振荡器DTC产生固定频率的锯齿波送到PWM比较器的反相输入端2IN－，脉冲调宽电压输送至PWM比较器的同相输入端2IN＋.两电压信号进行比较，当脉宽调节电压变化时，TL494输出的脉冲宽度也随之改变，通过改变开关管的导通和关闭时间达到调节稳定输出电压的目的。

TL494输出PWM联接驱动芯片IR2111的IN，则可以得到HO和LO两路PWM，如图3所示。HO和LO的PWM占空比互补，并且在TL494输出基础上抬高电压，接如图2所示其中VS主电路中的VS。

图3 IR2111驱动电路

2.3 元件的选择

1)降压电感

要使电感上电流连续，需要

即若要求15%负载时电路仍处于CCM状态，则同时额定输出时需控制电感纹波电流为平均电流的10%～20%，

2)滤波电容

该电容选择主要是要满足输出电压保持时间。升压时，要求在保持时间内电压不低于30 V，此时电容容量为:

若要使输出电压纹波小于0.1 V，由:

降压时，要使输出电压纹波小于0.1V，由:

因此 Cout2＞111 μF。

3)功率开关器件

开关管要求工作在80 kHz，选取IRF3205，其击穿电压Vdss为55 V，最大电流Id=110A，导通电阻Rds(on)=80 mΩ，上升时间18 ns，可满足设计要求[9－11]。

2.4 可调电源的设计小结

可调电源电路测试结果:可调负载0～50 Ω时，主电路输入24 V直流电源，输出电压为4～23 V可调，步进值为0.1 V；输入电压改变时，可以实现输出稳压，最大输出电流可以达到2.5 A。纹波电压25～50 mV。作为小功率电源满足稳压和功率的需求，但在纹波上有待提高。

3 结束语

本文设计制作的电源模块，其固定电源和可调电源均满足指标。固定电源利用AMS1117降压芯片输出5 V和3.3 V；可调电源为DC－DC降压电路，可调负载0～50 Ω时，主电路输入24 V直流电源，输出电压为4～23 V可调，步进值为0.1 V。二者电压和功率均能满足设计要求，可以用于 “口袋”实验室电源模块，支持 “口袋”实验室主电路的工作，也可作为其他设计电路的电源部分。但二者的纹波电压不够理想，有待改进。电源模块硬件电路及单片验证展示如图4所示。

图4 “口袋”实验室电源模块硬件电路实物展示

通过本次 “大创”活动，拓展了本小组成员的知识面，激发了小组成员对实验的兴趣，锻炼了小组成员的综合技能，并为今后专业课学习打下了坚实的基础。尤其在单片机的编译设计过程中，本小组成员通过独立学习、讨论等开放性学习模式，掌握了单片机编程技术。该项目是将经典稳压电源设计结合最新电子信息技术的发展，实验内容贴近平时的专业课学习，贴近实际电路，让小组成员真正将理论与实际相结合，紧跟未来电子信息技术发展潮流。

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