基于Buck变换器的步进式开关电源分析

梁毅

摘 要：随着科学技术的飞速发展，电力电子技术日新月异，开关电源在航空航天、计算机、仪器仪表、通信及家用电器等方面得到广泛应用。研究步进式开关电源电路，可使输出电压按一定的步进值调整，并且输出电压、电流精度高，电源转换效率高。该文介绍了一种以Buck变换器为基础的步进式开关电源。给出了Buck转换器电路设计原理图，详细分析和介绍了步进式电压调整的电路设计方法和步进调压程序。

关键词：Buck变换器 步进 开关电源

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（b）-0030-02

1 硬件电路设计

1.1 Buck转换器电路设计

Buck转换器是该开关电源中最重要的部分。降压转换器选用XL4015开关降压型DC-DC芯片，固定开关频率为180 kHz。该芯片具有出色的线性调整率与负载调整率，输出电压支持1.25～32 V间任意调整，最大输出电流5 A，且芯片集成了过流保护、过压保护、短路保护等保护电路。其原理图如图1所示。

XL4015芯片的5脚为电压输入端；4脚为内部电压调节端，需要接一个旁路电容；3脚为功率输出端；2脚为反馈端；1脚为接地端。输入端需要并联电解电容以消除噪声。由于输入电压近30 V，考虑各种因素，选择50 V，220 μF的固态电容，并且再并联一个瓷片电容以进行高频去耦。假设输出电压最大20 V，为留有裕量，也选择50 V，220μF的固态电容，并且再并联一个瓷片电容加以配合。因为电感器对输出纹波有着直接的影响，通过计算选择47μH的电感。输出电压可调依靠反馈电阻R1，R2的比值，其公式为1.25×（1+R2/R1），R2为可调电位器，R1为固定阻值电阻。通过调节R2即可调节输出电压。电路中设计了输出指示灯，通过指示灯亮度可以得知输出电压值的大致大小。

1.2 步进电压电路设计

如果输出电压为0.2 V步进值，并且要求使用键控，首先排除机械电位器。若使用数字电位器，其种类较多，精度也各不相同，最后经过对比发现使用开关使相应电阻短路或接入就能实现反馈阻值的变换，实现了电压值的步进。

步进电路由9个电阻，8个开关组成。当所有开关闭合时，从R2到R9，8个电阻全部短路。当任意开关断开，则相对应的电阻接入电路中。R1是一个基准值的电阻，假设电压输出为5 V起始。这个条件则由R1来完成，将R1调整到降压模块输出5 V。设输出要求5～20 V，步进值0.2 V，整个可调输出值的数量为76个，即步进76步。通过分析和计算，将调整R2为0.2 V，R3为0.4 V，R4为0.6 V，R5为0.8 V，R6为1 V，R7为2 V，R8为4 V，R9为8 V。当需要5.2 V时，只需断开开关S1，其他开关全部闭合。当需要13.6 V时，只需断开S3和S8开关。当需要20 V时，只需断开S5、S6、S7和S8四个开关即可实现。其实质原理为断开某个或多个开关，就是将该开关对应电阻上的电压值加入输出电压中，通过不同的组合形成各个需要的电压值，并实现步进功能。

由于各个电阻对应的电压值存在一定误差，当误差累积后便使得输出电压值不是理想的。采用电位器进行任意值调整，通过多次测试可以将其误差调整到最小。并且电路中所使用的开关为继电器，通过单片机控制继电器的吸合与断开实现可开关功能。

1.3 数据采集电路设计

开关电源需具备输出端电压、电流的实时检测，则需A/D转换器来接收和转换信号。ADC0809为8位转换器，TLC2543为12位转换器，TLC2543转换精度更高，所以选择TLC2543转换芯片。TLC2543A/D转换芯片的外围电路简单，11路模拟输入端口直接外接需要检测的电压、电流值。电源的正负极接一去耦电容，以减小输入芯片的电源纹波。虽然外围电路简单，但因为是一片较为敏感的芯片，尤其是在高速转换时，极易受到外界干扰使转换值不准确，这就要求PCB布线时其芯片底部尽可能不要有信号线或电源线接近。

2 步进控制程序设计

主控芯片选用AT89s52，由于一片主控芯片的控制口有限，不够控制8路继电器，故选用两片AT89s52。通过两片芯片的配合使用来完成步进控制。步进控制程序部分如图2所示。

当外部按下确认按键时，程序进入步进控制。每增加0.2 V的电压值，P2口输出变化一次，以控制继电器通断。当要输出5 V时，P2口输出全部为“1”，即0xff，全为高电平。当输出6.6 V时，P2口输出为0xeb，即高四位中的第一位为低电平，低四位中第三位为低电平，高低位剩下的全为高电平即可实现。其他电压值以此类推，能实现5～20 V的步进输出，步进数量为76步。

步进的加减在中断里面实现，在中断中执行步进的加减控制可以提高单片机的工作效率，并且中断程序有优先级，可以提高控制的灵敏性。加减控制是在需要时打开外部中断就能进行，也可关闭中断使步进控制失效。

3 结语

通过Buck变换器把交流电压转变成直流电，输出直流电压范围较宽，实现5～20 V步进调压，步进值0.2 V。通过分析、比较采集的电压、电流数据可知，电压和负载调整率非常小，输出电压非常稳定，并且采用此方法设计的电源转换效率较高。

参考文献

[1] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.

[2] 宋鑫欣.小功率单片开关电源的理论与实验研究[D].北京：北京工业大学，2004.