一種數(shù)控低壓大電流脈沖電源設(shè)計(jì)方案

     1.前言

　　在一些特殊應(yīng)用場合，需要一種低電壓大電流的電源，有時(shí)也需要電源頻率、脈寬均可調(diào)整的脈沖電源。本文以ATmega16 為系統(tǒng)控制核心，結(jié)合RT8105 所組成的DC/DC 電源電路實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了頻率、脈寬可調(diào)低電壓大電流的脈沖電源。

　　2.系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　系統(tǒng)首先由RT8105 構(gòu)成的DC-DC 電源電路產(chǎn)生穩(wěn)定的2V 電壓，該電壓經(jīng)過一個(gè)開關(guān)管連接至負(fù)載，通過ATmega16 單片機(jī)輸出的脈沖波形配合相應(yīng)的驅(qū)動電路控制該開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在負(fù)載上形成與該脈沖波形同頻率、同脈寬的脈沖電流。

　　此外，系統(tǒng)中加入了鍵盤、LED 和串口。鍵盤用于設(shè)置脈沖電源的頻率和占空比，LED 用于顯示當(dāng)前脈沖電源的占空比，便于用戶觀察。串口用于與PC 機(jī)進(jìn)行連接，用戶可通過相應(yīng)的上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置，該系統(tǒng)工作安全、穩(wěn)定，操作方便。

　　3.RT8105簡介

　　RT8105 是臺灣立锜科技股份有限公司生產(chǎn)的電壓模式、5V/12V 輸入的同步降壓式PWM 的DC-DC 控制器。具有以下特點(diǎn)：開關(guān)頻率為300kHz，輸出PWM波占空比0~100% 可調(diào)，其輸出的雙路相位差為180°的PWM 波可直接驅(qū)動所有的低功耗N-MOSFET，內(nèi)部自帶誤差比較器，具有實(shí)時(shí)過壓、欠壓、過流保護(hù)電路，系統(tǒng)軟啟動等功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 RT8105內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[!--empirenews.page--]

　　4、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　4.1. DC/DC變換電路

　　DC/DC 變換電路作為系統(tǒng)中最重要的一部分，其輸出電壓的穩(wěn)定直接影響脈沖電源的性能。使用RT8105 可以直接驅(qū)動兩路VMOS 開關(guān)管IRF640，電路結(jié)構(gòu)簡單。具體電路如圖3 所示。

圖3 DC/DC變換電路原理圖

　　圖中，系統(tǒng)供電電壓為+12V，T8105 輸出兩路反相PWM 波驅(qū)動Q2 和Q4，經(jīng)儲能電感L1 和電容濾波，產(chǎn)生直流電壓再由FB 引腳反饋回RT8105 進(jìn)而調(diào)整輸出PWM 波的占空比，形成硬件閉環(huán)電路，從而使輸出電壓穩(wěn)定到2V。

　　電路輸出電壓計(jì)算公式為：Vout=Vref×（1+R6/R4）， 其中Vref 為RT8105 芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，Vref=0.8V±2%，當(dāng)R6=13K，R4=8K 時(shí)輸出壓電壓達(dá)到2.1V。

　　4.2. 脈沖產(chǎn)生電路

　　脈沖產(chǎn)生電路由MCU 輸出波形控制開關(guān)管的通斷來實(shí)現(xiàn)。由于VMOS 導(dǎo)通時(shí)所需VGS 電壓必須大于4V，而MCU 輸出電壓僅5V，需要電路中加入一級放大電路，該放大電路由9012 和9013 兩只三極管實(shí)現(xiàn)，脈沖產(chǎn)生電路如圖4 所示。

圖4 脈沖產(chǎn)生電路

　　圖中，PULS 為MCU 輸出的脈沖控制信號，該信號經(jīng)過電壓放大后驅(qū)動VMOS 管，從而使輸出至負(fù)載的Vout 信號與PULS 信號同脈寬、同頻率。通過改變PULS 占空比及頻率，就可以實(shí)現(xiàn)Vout 輸出的脈寬、頻率可調(diào)。[!--empirenews.page--]

　　4.3. 開關(guān)型降壓穩(wěn)壓電路

　　MCU 及電路中其它部分所需要的5V 電源由開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片LM2576 產(chǎn)生，其電路結(jié)構(gòu)簡單。具體電路如圖5 所示。

圖5 開關(guān)型降壓穩(wěn)壓電路

　　系統(tǒng)中并未采用常用的線性三端穩(wěn)壓芯片LM7805，其原因是線性穩(wěn)壓電源在工作中會有大的“熱損耗”，其工作效率低。而開關(guān)穩(wěn)壓電源具有集成度高、外圍電路簡單、電源效率高（70%~90%）等優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)穩(wěn)壓電源已經(jīng)取代效率較低的線性穩(wěn)壓器， 成為現(xiàn)代超大規(guī)模集成系統(tǒng)中不可或缺的部分。

　　4.4. 單片機(jī)及人機(jī)接口電路

　　系統(tǒng)中使用了5 個(gè)按鍵，用于設(shè)置輸出的周期及占空比。使用4 個(gè)8 段LED 用于顯示當(dāng)前周期和占空比。

　　具體電路圖如圖6 所示。

圖6 單片機(jī)及人機(jī)接口電路

　　數(shù)碼管D7 顯示當(dāng)前功能模式代碼（0 表示占空比模式，1 表示周期模式），D8~D10 用于顯示占空比或周期值。按鍵K1~K5 用于參數(shù)的設(shè)置，分別完成左移，右移，OK，加，減功能。按鍵控制分兩種模式，設(shè)置模式和非設(shè)置模式。在設(shè)置模式下，調(diào)整占空比和周期值的大小，左、右移位鍵移動3 個(gè)數(shù)碼管的3 個(gè)位，移到的位閃爍，此時(shí)可通過加、減鍵來改變這一位的值，按下OK 鍵完成設(shè)置；在非設(shè)置模式下，不能改變參數(shù)，只能用加、減鍵切換D7 的模式代碼，數(shù)碼管D8~D10 顯示該模式下的數(shù)值。其中，占空比的可設(shè)置范圍0~100%，周期值范圍1~999ms，即頻率可從1Hz~1kHz 進(jìn)行設(shè)置。

　　5、系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

　　系統(tǒng)測試所使用到的儀器主要有：數(shù)字熒光示波器TDS7104，電流探頭TCP202，有源探頭P6243，電子負(fù)載IT8511。

　　5.1. 電壓調(diào)整率

　　電壓調(diào)整率即負(fù)載固定時(shí)，輸入電壓的波動對輸出電壓的影響（即輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值）。以輸出電流6A 時(shí)對應(yīng)的輸出電壓2.04V，2.05V，2.05V，輸入電壓10.8V，12.0V，13.2V（如表1），計(jì)算電壓調(diào)整率：

　　5.2. 負(fù)載調(diào)整率

　　輸入電壓12V，以及增加偏移為±10% 的10.8V 和13.2V。輸出電流將占空比調(diào)為最大，用來測試最大負(fù)載情況。負(fù)載以最大6A 的0%-100% 步進(jìn)20% 進(jìn)行測試。[!--empirenews.page--]

　　測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 電流調(diào)整率測試表

　負(fù)載調(diào)整率是在輸入電壓固定的情況下，負(fù)載電流IO 從0 變化到最大額定性（滿載）時(shí)所引起輸出電壓的變化。以輸入電壓12.0V 對應(yīng)的輸出電壓，輸出電流0 ～ 6A 變化，計(jì)算負(fù)載調(diào)整率：

　　5.3. 電源轉(zhuǎn)換效率

　　電源的轉(zhuǎn)換效率反應(yīng)電路的電能損耗情況，是電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，表2 給出的效率數(shù)據(jù)是根據(jù)公式計(jì)算的：

表2 電源轉(zhuǎn)換效率測試表

　　5.4. 輸出脈沖

　　圖7 為電路輸出的2V/6A 脈沖，圖中上邊是DC/DC輸出電壓波形，下邊是脈沖輸出電流波形，波形參數(shù)如圖所示。

圖7 輸出2V/6A脈沖

　　6、小結(jié)

　　此電源的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)、原理比較簡單，通過合理的選用器件和PCB 布線、正確的運(yùn)用調(diào)試方法，使電路設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化。選用的器件RT8105，其內(nèi)嵌的MOSFET 場效應(yīng)管驅(qū)動電路簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成的補(bǔ)償電路減少了電路中元器件的數(shù)量；并且它的各種保護(hù)電路提高了器件的使用壽命和電路的安全性和穩(wěn)定性。