CN106685234B - 一种降压型直流开关稳压电源及稳压控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降压型直流开关稳压电源及稳压控制方法，所述降压型直流开关稳压电源包括依次连接的输入滤波电路、Bosst降压电路、输出滤波电路，还包括与所述Bosst降压电路连接的控制模块，和与所述输出滤波电路串联连接的负载和康铜丝，在所述负载和康铜丝间设置有AD采样端口；所述输入滤波电路对输入电压DC进行滤波，所述输出滤波电路对输出电压进行滤波，所述控制模块控制所述Bosst降压电路降压输出。本发明的提供的直流稳压电源电路及稳压控制方法实现稳压输出，具有可靠的闭环控制，输出电压偏差小，电压调整率小，电源转换效率高，能对输入电压、输出电压和输出电流进行显示。
Description
技术领域
本发明属于直流电源领域，具体涉及一种直流稳压电源电路及稳压控制方法。
背景技术
直流稳压电源是电子技术领域的常用仪器设备之一，其作用是期望能在电网电压产生波动或负载发生变化时提供稳定的直流输出电压，因此直流稳压电源的应用非常广泛且重要的，目前已有的直流稳压电源在工作过程中产生的误差较大，从而影响整个系统的精度，传统的解决方式是通过粗调及细调来调节来获取直流稳压电源输出，由于电位器阻值变化为非线性，而且其调整范围窄，致使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整；再如图1所示现有稳压电源中采用的PWM电流模式DC-DC降压控制电路，控制电路的脉宽调制是由控制电路的反馈调节实现，当负载变重或电网电压降低等原因输出电压有所下降时，进入TL494的采样电压按比例下降，这时TL494内部Uo输出降低，通过和锯齿波比较，导致比较器2输出脉冲变宽，从而达到脉宽调制使输出电压稳定的目的，但该电路设计较为复杂，反馈效率较低，损耗较大，效率相对较低。
随着使用时间的增加，用于粗调的波段开关和用于细调的电位器的接触不良也会对输出电压产生较大影响，且调节较为繁琐。当输出电压电流值精度需求较高时，调准难度较大，且波段开关与电位器的磨损也会造成输出的不准确性。这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种降压型直流开关稳压电源及其稳压控制方法，实现稳压输出，具有可靠的闭环控制，输出电压偏差小，电压调整率小，电源转换效率高，能对输入电压、输出电压和输出电流进行显示。
本发明第一方面提供的降压型直流开关稳压电源包括依次连接的输入滤波电路、Bosst降压电路、输出滤波电路，还包括与所述Bosst降压电路连接的控制模块，和与所述输出滤波电路串联连接的负载和康铜丝，在所述负载和康铜丝间设置有AD采样端口；所述输入滤波电路对输入电压DC进行滤波，所述输出滤波电路对输出电压进行滤波，所述Bosst降压电路包括LM5117芯片、第一NMOS开关管U1，第二NMOS开关管U2、电感L1、电阻R2、R4、电位器Rp、电位器Rp2，所述第一NMOS开关管U1的G极与所述LM5117芯片的HO接口连接，D端与经过输入滤波电路滤波后的VCC连接，S端分别连接所述LM5117芯片的SW接口和所述电感L1的第二端；所述第二NMOS开关管U2的G极与所述LM5117芯片的LO接口连接，D端分别连接所述LM5117芯片的SW接口和所述电感L1的第二端，S端接地；所述电阻R2、R4的第一端分别与所述电感L1的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述电位器Rp的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述电位器Rp2的第一端连接，所述电位器Rp的第二端接地，所述电位器Rp的控制端与AD采集端口连接，所述电位器Rp2的第二端与控制端均接地；所述控制模块单片机和分别与所述单片机连接的OLED显示模块及用于选择设定输出电压的按键，所述单片机的通过AD采集端口与所述电感L1的第一端及所述LM5117芯片的VD端口连接，所述AD采集端口还与所述LM5117芯片的UVLO接口。
本发明方案中，电阻R2、R4、电位器Rp、Rp2构成LM5117同步降压控制电路，康铜丝与负载串联连接在输出电源与地之间，构成采样电路；所述控制模块控制所述Bosst降压电路降压输出。使用中，通过按键选定设置需要输出的电压后，单片机通过AD采集端口控制电位器Rp的控制端调节电位器Rp的电阻值，以达到稳压电源输出电压满足设定输出值的要求，通过采样电路对电源输出电压进行采样反馈至单片机，单片机再根据采样结果与按键设定电压进行比较，并根据比较情况再通过AD采集端口控制电位器Rp的控制端调节电位器Rp的电阻值，进而实现对电源输出电压的闭环控制，输出电压偏差小； LM 5117 包含一个内部高电压偏置稳压器，为PWM控制器和 NMOS 栅极驱动器提供了偏置电源，同时保持了传统电流模式控制的脉宽调制和传统峰值电流模式控制的优点；采用NMOS开关管损耗小，转换效率高；其内部还包含一个双电平UV LO电路，当电压超接适配过自身 UV阈值且 UVLO电压高于UV LO阈值时，HO和LO驱动器被启用；直到V C C电压和U V LO都低于自身u V阈值时，或LM5117芯片温度超过热关断阈值时断续模式被激活，UVLO电压拉低时可提供非常低的静态关断电流，实现故障保护功能。单片机根据按键确定的额定电压、电流的设定值和LM5117典型电路的结合，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为整个电源系统提供过流保护、过压保护和设定保护电流阈值，并实现输出电压、输出电流和输入电压的显示。
LM5117包含几个大电流NMOS驱动器和一个相关的高边电平转换器 ，以驱动外部高边Q器件，这个高边栅极驱动器与一个外部二极管及一个自举电容配合工作。为了满足持续供电需要，将RES管脚直接接至管脚，使得重启定时器被禁用，稳压器在非断续模式逐周期电流限制下工作。
根据本发明上述实施例提供的降压型直流开关稳压电源还具有以下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述第一NMOS开关管U1与第二NMOS开关管U2的开关频率设定在250kHz。为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；LM 5117是一款同步降压控制器，开关管频率在50～750 kHz范围内设定，而将频率选定在250kHz的好处是在常用的元器件基础上，选取此工作频率能获得最大的功率输出。
根据本发明的一个实施例，所述单片机为STC51单片机。STC51单片机的工作电流仅需280μA，功耗低，提高了整个电源系统的转换效率。
根据本发明的一个实施例，所述电感L1的电感值为30μH。
根据本发明的一个实施例，所述输出滤波电路包括并联连接的电解电容C4、电解电容C5和瓷片电容C6、瓷片电容C7。
进一步的，所述并联连接的电解电容C4的、电解电容C5和瓷片电容C6、瓷片电容C7所形成的总电容值范围为550-580μF。
根据本发明的一个实施例，所述输入滤波电路包括并联连接的电解电容C1、瓷片电容C2和瓷片电容C3。
本发明第二方面提供上述降压型直流开关稳压电源的稳压控制方法，包括以下步骤：S1：通过按键得到要输出电压值；S2：PWM上升沿触发中断、在中断里打开AD转换，并使能AD中断；S3：AD采样，等待中断；S4：在中断里读取AD采样值，并判断是否需要屏蔽中断去处理数据；S5：判断是要处理数据时，读取AD采样值，构成反馈，控制输出量稳定，从而控制输出电压值达到按键设定的输出电压值。
进一步的，在步骤S3中，若没有中断，则返回步骤S2。
进一步的，在步骤S4中，若判断不需要屏蔽中断去处理数据，则返回步骤S3。
进一步的，在步骤S3中，AD采样过程中，在PWM上升沿后2微秒后开始采样。
上述稳压控制方法主要通过按键设定输出电压值，利用PI算法控制PWM的占空比，实现电压稳定输出，并且为了减少干扰，采用同步采样的方法，即在PWM上升沿后2微秒，再去采样，这样就可以避免采样到毛刺,进行错误的判断,导致输出电压不稳,再根据一些其它的反馈采样值进行调整,保证系统可以安全可靠稳定的工作。
附图说明
图1为现有稳压电源中采用的PWM电流模式DC-DC降压控制电路；
图2本发明的降压型直流开关稳压电源的电路框图；
图3为本发明的降压型直流开关稳压电源电路图；
图4为本发明的降压型直流开关稳压电源的稳压控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图2所示的降压型直流开关稳压电源电路框图，降压型直流开关稳压电源包括依次连接的输入滤波电路10、Bosst降压电路20、输出滤波电路30，还包括与所述Bosst降压电路20连接的控制模块50，和与所述输出滤波电路30串联连接的负载40和AD采样端口；所述输入滤波电路10对输入电压DC进行滤波，所述输出滤波电路30对输出电压进行滤波，所述控制模块50包括MCU控制器51和分别与所述MCU控制器51连接的数据显示模块53及用于选择设定输出电压的按键52。
如图3所示，负载40为RL，RL的一端连接经过输出滤波电路滤波后的VCC而另一端连接有康铜丝的一端，康铜丝的另一端接地，所述AD采样端口连接在所述RL与所述康铜丝之间的通路上；所述Bosst降压电路20包括LM5117芯片、第一NMOS开关管U1，第二NMOS开关管U2、电感L1、电阻R2、R4、电位器Rp、电位器Rp2，所述第一NMOS开关管U1的G极与所述LM5117芯片的HO接口连接，D端与经过输入滤波电路滤波后的VCC连接，S端分别连接所述LM5117芯片的SW接口和所述电感L1的第二端；所述第二NMOS开关管U2的G极与所述LM5117芯片的LO接口连接，D端分别连接所述LM5117芯片的SW接口和所述电感L1的第二端，S端接地；所述电阻R2、R4的第一端分别与所述电感L1的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述电位器Rp2的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述电位器Rp的第一端连接，所述电位器Rp2的第二端接地，所述电位器Rp2的控制端与AD采样端口连接，所述电位器Rp的第二端和控制端均接地；所述MCU控制器51通过AD采样端口与所述电感L1的第一端及所述LM5117芯片的VD端口连接，所述AD采集端口还与所述LM5117芯片的UVLO接口。所述LM5117芯片的AGND接口、PGND接口、CSG接口和CS接口均接地；所述LM5117芯片的UVLO接口连接AD采样端口，所述LM5117芯片的VIN接口连接经过输入滤波电路滤波后的VCC，所述LM5117芯片的CM接口连接有并联的两个电容C8、C9的第一端，电容C8的第二端与一个电位器Rp1的第二端连接，电容C9的第二端连接电位器Rp1的控制端连接，电位器Rp1的第一端与所述LM5117芯片的VCCDIS接口连接并与所述电容C9的第二端连接，所述LM5117芯片的连接，AD采样端口还与所述LM5117芯片的FB接口连接，在所述电位器Rp1第一端与控制端形成反馈；所述输入滤波电路10包括并联连接的电解电容C1、瓷片电容C2和瓷片电容C3，所述电解电容C1的正极连接输入电源的VCC，所述电解电容C1的负极接地，瓷片电容C2和瓷片电容C3并联连接在输入电源的VCC与地之间；所述输出滤波电路30包括并联连接的电解电容C4、电解电容C5和瓷片电容C6、瓷片电容C7，所述电解电容C4、C5的正极连接输出电源的VCC而负极接地，所述瓷片电容C6和瓷片电容C7并联连接在输出电源的VCC与地之间；所述MCU控制器51为STC51单片机，所述数据显示单元53为12684OLED显示屏，STC51单片机上设置有按键开关K1、按键开关K2、按键开关K3和复位开关Kup，按键开关K1的一端接STC51单片机的PA1脚另一端接地，按键开关K2的一端接STC51单片机的VDD脚另一端接地，按键开关K3的一端接STC51单片机的PA3脚另一端接地，复位开关Kup的一端接STC51单片机的PA0脚另一端接3.3Vd的VCC电源；STC51单片机的PC1、PC2脚连接AD采样端口；12684OLED显示屏的VSS、VDD、D0至D7接口通过插脚分别与所述STC51单片机的VSS、VDD、D0至D7接口连接。
上述方案中，电阻R2、R4、电位器Rp、Rp2构成LM5117同步降压控制电路，康铜丝与负载RL串联连接在输出电源VCC与地之间，构成采样电路；通过按键K1、K2、K3选定设置需要输出的电压后，例如通过按键K1选定设置电压为5V，STC51单片机通过AD采集端口控制电位器Rp的控制端调节电位器Rp的电阻值，以达到稳压电源经过输出滤波电路滤波后的输出电压VCC满足设定输出值的要求，通过采样电路对电源输出电压VCC进行采样反馈至STC51单片机，STC51单片机再根据采样结果与按键设定电压进行比较，并根据比较情况再通过AD采集端口控制电位器Rp的控制端调节电位器Rp的电阻值，进而实现对电源输出电压VCC的闭环控制，输出电压偏差小； LM5117 芯片包含一个内部高电压偏置稳压器，为PWM控制器和NMOS 栅极驱动器提供了偏置电源，同时保持了传统电流模式控制的脉宽调制和传统峰值电流模式控制的优点；采用NMOS开关管损耗小，转换效率高；LM 5117 芯片内部还包含一个双电平UV LO电路，当电压超接适配过自身 UV阈值且 UVLO 电压高于UV LO阈值时，HO和LO驱动器被启用；直到V C C电压和U V LO都低于自身u V阈值时，或LM5117芯片温度超过热关断阈值时断续模式被激活，UVLO电压拉低时可提供非常低的静态关断电流，实现故障保护功能。STC51单片机根据按键确定的额定电压、电流的设定值和LM5117典型电路的结合，实现稳压输出，同时，STC51单片机与采样电路相结合，将为整个电源系统提供过流保护、过压保护和设定保护电流阈值，并通过12684OLED显示屏实现输出电压、输出电流和输入电压的显示。
LM5117包含几个大电流NMOS驱动器和一个相关的高边电平转换器 ，以驱动外部高边Q器件，这个高边栅极驱动器与一个外部二极管及一个自举电容配合工作。为了满足持续供电需要，将RES管脚直接接至管脚，使得重启定时器被禁用，稳压器在非断续模式逐周期电流限制下工作。
根据本发明上述实施例提供的降压型直流开关稳压电源还具有以下附加技术特征：
根据本发明的一个具体实施例，所述第一NMOS开关管U1与第二NMOS开关管U2的开关频率设定在250kHz。为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；LM 5117是一款同步降压控制器，开关管频率在50～750 kHz范围内设定，而将频率选定在250kHz的好处是是在常用的元器件基础上，选取此工作频率能获得最大的功率输出。
根据本发明的一个具体实施例，所述单片机为STC51单片机。STC51单片机的工作电流仅需280μA，功耗低，提高了整个电源系统的转换效率。
根据本发明的一个具体实施例，所述电感L1的电感值为30μH。
根据本发明的一个具体实施例，所述并联连接的电解电容C4的、电解电容C5和瓷片电容C6、瓷片电容C7所形成的总电容值范围为550-580μF。
如图4所示，以上实施例所述的降压型直流开关稳压电源的稳压控制方法，包括以下步骤：S1：通过按键得到要输出电压值；S2：PWM上升沿触发中断、在中断里打开AD转换，并使能AD中断；S3：AD采样，等待中断，若没有中断，则返回步骤S2；S4：在中断里读取AD采样值，并判断是否需要屏蔽中断去处理数据，若判断不需要屏蔽中断去处理数据，则返回步骤S3；S5：判断是要处理数据时，读取AD采样值，构成反馈，控制输出量稳定，从而控制输出电压值达到按键设定的输出电压值。
根据本发明的一个具体实施例，降压型直流开关稳压电源的稳压控制方法，在步骤S3中，AD采样过程中，在PWM上升沿后2微秒后开始采样。
本发明方案中，可以实现周期电流限制和打嗝模式电流限制
关于周期电流限制，LM5117 包含一个电流限制监测电路，以防止稳压器可能出现的过流条件，如果斜坡信号超过 1.2V，当前周期结束，对于电感饱和或输出对地短路而出现的开关电流过冲情况，采样和保持电路可在高边 NMOS 驱动器重新开启之前，检测多余的循环电流，在电流大大低于电流限制阈值之前，高边 NMOS 驱动器都处于禁用状态。这种方法可以防止出现电流失控的情况，因为电感电流被迫衰减到出现任何电流过冲的可控水平，其中最大峰值电感电流用公式1计算：
关于打嗝模式电流限制，为了在长时间电流限制条件下在进一步保护稳压器，LM5117提供了打嗝模式电流限制功能。内部打嗝模式故障定时器可计算逐周期电流限制发生期间的 PWM 时钟周期，当断续模式故障定时器检测 256 个连续周期的电流限制时，内部重启定时器强制控制器进入低功耗待机模式，并开始灌出10 µA 电流进入 RES 接口电容 CRES；当 RES 引脚电压超过 1.25V RES阈值时，RES 电容被放电，并开始一个软启动顺序他，tRES用公式2计算：
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (1)
1.一种降压型直流开关稳压电源，包括依次连接的输入滤波电路、Bosst降压电路、输出滤波电路，还包括与所述Bosst降压电路连接的控制模块，和与所述输出滤波电路串联连接的负载和康铜丝，在所述负载和康铜丝间设置有AD采样端口；所述输入滤波电路对输入电压DC进行滤波，所述输出滤波电路对输出电压进行滤波，所述Bosst降压电路包括LM5117芯片、第一NMOS开关管U1，第二NMOS开关管U2、电感L1、电阻R2、R4、电位器Rp、电位器Rp2，所述第一NMOS开关管U1的G极与所述LM5117芯片的HO接口连接，D端与经过输入滤波电路滤波后的VCC连接，S端分别连接所述LM5117芯片的SW接口和所述电感L1的第二端；所述第二NMOS开关管U2的G极与所述LM5117芯片的LO接口连接，D端分别连接所述LM5117芯片的SW接口和所述电感L1的第二端，S端接地；所述电阻R2、R4的第一端分别与所述电感L1的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述电位器Rp2的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述电位器Rp的第一端连接，所述电位器Rp2的第二端接地，所述电位器Rp2的控制端与AD采样端口连接，所述电位器Rp的第二端与控制端均接地；所述控制模块包括单片机和分别与所述单片机连接的OLED显示模块及用于选择设定输出电压的按键，所述单片机通过AD采样端口与所述电感L1的第一端及所述LM5117芯片的VD端口连接，所述AD采样端口还与所述LM5117芯片的UVLO接口连接；
所述第一NMOS开关管U1与第二NMOS开关管U2的开关频率设定在250kHz；
所述单片机为STC51单片机；
所述电感L1的电感值为30μH；
所述输出滤波电路包括并联连接的电解电容C4、电解电容C5和瓷片电容C6、瓷片电容C7；
所述并联连接的电解电容C4的、电解电容C5和瓷片电容C6、瓷片电容C7所形成的总电容值范围为550-580μF；
降压型直流开关稳压电源的稳压控制方法，包括以下步骤：S1：通过按键得到要输出电压值；S2：PWM上升沿触发中断、在中断里打开AD转换，并使能AD中断；S3：AD采样，等待中断；S4：在中断里读取AD采样值，并判断是否需要屏蔽中断去处理数据；S5：判断是要处理数据时，读取AD采样值，构成反馈，控制输出量稳定，从而控制输出电压值达到按键设定的输出电压值；
在步骤S3中，若没有中断，则返回步骤S2；
在步骤S4中，若判断不需要屏蔽中断去处理数据，则返回步骤S3；
在步骤S3中，AD采样过程中，在PWM上升沿后2微秒后开始采样；
使用时，通过按键选定设置需要输出的电压后，单片机通过AD采集端口控制电位器Rp2的控制端调节电位器Rp2的电阻值，以达到稳压电源输出电压满足设定输出值的要求，通过采样电路对电源输出电压进行采样反馈至单片机，单片机再根据采样结果与按键设定电压进行比较，并根据比较情况再通过AD采集端口控制电位器Rp2的控制端调节电位器Rp2的电阻值，进而实现对电源输出电压的闭环控制，输出电压偏差小；
单片机根据按键确定的额定电压、电流的设定值和LM5117电路的结合，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为整个电源系统提供过流保护、过压保护和设定保护电流阈值，并实现输出电压、输出电流和输入电压的显示。
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