摘 要：基于PWM（脉冲宽度调制）控制器和MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y，分析和探讨了电压可调数字控制开关电源电路的设计。要求对5～40V范围内电压的步加、步减调节，步进精度为0.2V，并通过双向反馈电路提高电压稳定性。
关键词：数控开关电源 TOPSwitch-FX 计数控制 数模转换器 电路设计
1 引言
随着电源电子技术的高速发展，普通的开关电源逐渐显示出了其在现代高科技产品设计中的众多不足之处，尤其是开关电源的智能化要求。然而，数字控制开关电源却在这方面突现了优势，数字控制易于采用先进的控制方法和智能控制策略，可以从根本上提高系统的性能指标,减少控制电路的元器件数量，缩小控制板体积，提高系统的抗干扰能力，提高控制系统的可靠性[1]。本文设计一种基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的电压可调数字控制开关电源。该电源主要用于产品的测试和开发，也可以做智能控制的电源。
2 总体设计方案
数字控制开关电源是一种基于数字信号控制调节其输出电压的、初步实现开关电源的数字化和智能化控制的电路系统。电压可调数字控制开关电源要求由按钮控制电压输出值在5～40V范围内的步加、步减调节，步进精度为0.2V，并随时可以调回最低值或预置为最高值，输出电压的精度不低于0.1V[2]，最大输出功率不低于20W。
2.1系统设计
设计一种基于TOP234Y的电压可调数控开关电源，利用PWM原理控制占空比，采用可逆计数器计数并经数模转换放大做控制信号，对输出电压进行相对较大范围的调节，由反馈电路确保电压的稳定性，数字芯片电源由内部电源提供。
按功能系统可基本划分为两大部分，即开关电源的模拟部分和数字控制部分。模拟部分实现开关电源电压的整流、滤波、功率变换、限流保护等功能;数字控制部分主要是通过计数调压控制信号调节PWM占空比来改变电压输出值并控制反馈信号以保持电压输出值的稳定。
2.2基本设计思路
系统结构主要包括模拟开关电源、反馈电路、PWM及比较器控制和数字调压控制四大模块。其系统原理框图如图1所示。
模拟开关电源部分对输入交流市电进行滤波、抗电磁干扰处理、整流、功率变换和稳压等。数字器件要求提供的电源基本保持不变，但输出电压会随数控调节不断改变，所以开关功率变换次级输出只能在经过稳压处理才能用作内部电源，这里在电压不超过最大值的情况下采用三端稳压器。
开关电源反馈采用输出电压的双向控制。调压控制信号和反馈信号采用比较器作比较放大后送PWM控制器，使两者不会产生冲突，也不会漏掉其中任一控制信号，两者同时控制开关脉冲的占空比来调节和稳定电压[3]。控制信号的电压与输出电压的关系是由PWM控制器实现线性控制，故PWM控制器必须用线性PWM控制器件。
图1 电压可调数控开关电源系统原理框图
在反馈电路中，若输出电压偏高，误差放大反馈信号进入比较器经比较输出的电压也偏高。转化后的反馈信号电压与脉冲调制器前置的比较器的计数调压控制电压比较后的电压偏低，导致占空比的宽度变窄，引起输出电压下降[4];反之亦然。调压控制的原理与反馈控制原理相似，但这里集成在TOP芯片中。
在数字调压控制模块，由按钮控制计数器的步加、步减、清零和预置为最大值，并由计数器输出一个相应的电压信号。计数器输出的信号为数字量，故须再经数模转换形成相应的控制电压，即数字调压控制信号。
3 电路设计
3.1 PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX介绍
TOPSwitch-FX系列有三种封装形式，其中TO-220-7B封装有5个引出端，它们分别是控制端C、多功能端M、源极S、开关频率选择端F和漏极D。多功能端主要有线路过压和欠压保护、利用线路电压前馈来降低占空比Dmax、从外部设定芯片的极限电流ILIMIT等功能。
TOPSwitch-FX主要由门驱动级和输出级、控制电压源、带隙基准电压源、频率抖动振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调整器等主要部分组成。它的工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比Dmax，达到稳定电压的目的。例如，当输出电压UO↑时，经过光耦合反馈电路使得IC↑→Dmax↓→UO↓，最终使UO保持不变。
TOPSwitch-FX有一大特性，当控制端电流IC在规定范围内，而多功能端的输入电流IM为定值时，脉宽调制器的输出占空比Dmax与IC成反比。PWM的增益为：
K=ΔD/ΔIC= —22%/mA
即
ΔD=K×ΔIC= —22%··················⑴
由式⑴可知，占空比随IC的增大而减小。实际上，占空比不仅与IC有关，还取决于IM值[5]。
3.2 配有TL431的光耦合双向反馈电路
目前，在普通开关电源中可由多种方式进行输出反馈。在输出电压采样电路中，一般有钳位电路。基本原理是比较输出电压是高于还是低于钳位电压[6]。但在电压可调的开关电源中，因为输出电压本身是要求变化的，所以不能用类似的反馈电路。
为了克服这一难题，在电路反馈原理上不再采用单独的纵向比较，而是纵向、横向比较相结合。横向是比较两输出电路电压是否相同，而纵向比较是在另一路输出中加入延时操作，同时在调压时禁止反馈。
具体的电路是在第二路输出经整流滤波后加延时器，再与第一路进行比较，从而实现纵向比较。而为了在调压时禁止反馈，反馈输出后加脉冲控制反馈电路的通断，当有调压脉冲信号存在时，反馈通路中断，这里由压控继电器来实现。另外，由于电压的精度要求高，在电路反馈中必须对误差电压进行放大，中间加比较器放大器后进行反馈。同时在电路中对输出采用光耦合器件TL431隔离，提高电压调整率[7]。其基本电路原理图如图2所示。
图2 配有TL431的光耦合双向反馈电路
3.3 数字调压控制电路
该模块包括计数控制电路和数模转换电路。电源整体输出电压为5至40V，步长值设计为0.2V，总计数次数为175次，故须采用八位二进制计数器。从0开始计数，计数到175，即二进制数的10101111，输出信号送数模转换器，并进行功率放大。因为ΔD与ΔIC成反比，即占空比的变化与IC的变化成反比。当IC变大时，占空比减小，输出电压降低，反之，当IC变小时，输出电压增大，所以在计数器的UP引脚接步减控制按钮，而DOWN引脚接步加按钮，计数器清零时输出电压最大，预置为最高时输出电压最小。
3.3.1计数控制电路
控制按钮为四键，分别用于步加、步减、清零和预置为最大值。可逆计数器采用两只74LS193级联形成八位二进制计数器。74LS193是一种双时钟4位二进制同步可逆计数器，具有预置、清零、加和减计数功能[8]。两片74LS193采用级联方式，第一片的CLR通过电压置高开关接数字电源。LD接地，即预置功能在输出为最低时有效，预置数据均接高电平。UP、DOWN上拉为高电平，分别通过电压步减、步加开关按钮接振荡脉冲信号源。第一片的CO为0时，加计数进位，BO为0时，减计数借位。第二片的计数控制由LD执行控制功能，即CO、BO分别取反后一起接LD，其它接法与第一片相同，组成一个八位二进制可逆计数器。当计数到175时，加无效，当计数为0时，减无效。即当输出为10110000时，计数器清零。当输出为00000000时，执行减操作则计数器预置为最大值[9]。
数字调压控制电路图如图3所示。
图3 数字调压控制电路图
3.3.2 数模转换电路
数字调压控制电路输出送至数模转换器，这里因为没有要求其它附加功能，故采用一只ADC6080作为数模转换[10]，其转换信号提供给功率放大电路[11]。数模转换电路如图4所示。
图4 数模转换电路图
3.4比较器及PWM控制电路
TOPSwitch-FX系列芯片集成了保护电路、PWM控制器及MOSFET管，这里可直接采用TO-220-7B型封装的TOP234Y型FX芯片。其中接数控信号与接反馈信号进行比较放大后接控制端C，M端通过大电阻接电输入正极[12]， TOP234Y的外围电路如图5所示。
图5 TOP234Y的外围电路图
3.5输出稳压电路
输出分为两路，第一路经整流、滤波作开关电源输出;第二路为数字IC提供电源。在整个控制电路中，所有的数字芯片都需要恒压电源，但是在输出电压调节过程中，第二路输出也会随着占空比的变化而变化，所以要在该路输出加上恒压电路。为了设计简便，这里用集成三端稳压器。只要把正输入电压加到UA7805的输入端，UA7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压。在输入端和输出端与地之间要接大滤波电容，在芯片引脚根部还要接小容量电容（0.1～10uF）到地[13]。
4 结论
设计了一种基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的数控开关电源，对一些关键技术进行了详细的介绍和分析。如果要求更高精度的可调电源时可以增加计数器和数模转换的位数，但同时要考虑芯片的沉载能力。若要更高的输出功率，可以更换TOPSwitch-FX芯片。此外，文中对开关电源的一些重要参数如空载功耗等的研究没有涉及，有待进一步研究。
本文作者创新点：设计一种基于PWM控制器和MOSFET集成芯片TOPSwitch-FX TOP234Y的电压可调数字控制开关电源，实现对5～40V范围内电压的步加、步减调节，步进精度为0.2V，并且通过双向反馈电路提高电压稳定性。
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