一款高效直流稳压稳流电源的设计
由TI公司生产的降压开关电源芯片TPS54340与电流检测芯片INA210组成的稳压稳流模块与反馈控制模块的设计。该设计将实现恒压与恒流的功能，以及对输出电压与电流的调节，外接负载的变化不会影响电源的输出。我们还对本课题进行了改进，实现对输出的电压电流的调节，并且也可在有效范围内随即改变。同时，采用单片机89C52结合A/D模块实现电压电流值的显示输出。
【关键词】电源 稳压稳流 设计
随着科技的发展，几乎所有的电子产品都需要稳定的直流电源来供电，由于电网电压的波动，会使整流后输出的直流电压也随着波动。同时，使用中负载电流也是不断变动的，这样输出电压也会随着负载电流的波动而波动。负载电流小，输出电压就高，负载电流大，输出电压就低。直流电源电压产生波动，会引起电路工作的不稳定，对于精密的芯片、测量仪器、自动控制或电子计算装置等，将会造成测量、计算的误差，甚至无法正常工作。因此，通常都需要稳定高效的直流电源供电。我们的设计将会在输入电压在4.5-42V的情况下，产生3-12V的电压和500mA-1500mA之间的电流可调电源，负载调整率小于1%，电压调整率小于0.5%，并且整机效率在85%以上。
1 总体方案论证与比较
1.1 稳定电源
主回路电路如图1所示。
1.2 稳压稳流电路芯片的论证与选择
方案一：由MAX887作为主控芯片，MAX887具有占空比达到100%、低噪声等优点，PWM的DC-DC转换器芯片内部设置了基准电压与FB端比较，控制输出。是一个高性能的电源芯片。
方案二：由TI公司生产的精密开关电源TPS54340作为功能芯片，该芯片具有较高的输入范围和输出范围，输入电压可在4.5V～42V之间，而且最大输出电流为3.5A，可在-40-150度的环境中工作，开关速度快，精度准确，是一个高性能的芯片。
方案选择：TPS54340芯片开关速率极快，降低了软启动的时间，有效的降低了电能的消耗，提高了效率。因此，选择方案二。
1.3 稳压稳流方案论证与选择
方案一：芯片的FB端的标准电压为0.8V，该电压与内部的基准电压比较，控制输出。通过对输出端电压的取样，反馈到FB端，进而控制输出电压实现稳压。
方案二：将输出端的信号通过A/D转换传递给单片机，单片机判断通过D/A模块实现对输出的控制。单片机可以实现先判断，然后通过控制FB端的电位，而实现控制。
方案选择：单片机的控制明显比硬件反馈控制的速度快，输出更加稳定。因此，我们选择方案二。
1.4 控制方式论证
通过改变电位器的阻值，改变FB1与FB2的的电位，确定模拟开关的选通，进而影响FB端的电位。若FB1起作用将改变输出端的电流，FB2起作用将改变输出端的电压。
1.5 显示控制部分方案
采用STC89C52控制，利用AD、DA芯片扩展功能，实现显示输出电压值和电流值。此方案不但可以实现所需要的功能，而且成本较低。从成本和研发时间上考虑AD芯片选用熟悉的ADC0809，显示器件选用熟悉的7SEG-MPX8-CC-BLUE。
1.6 过压过流保护方案的选择
TPS54340内部错误放大器，将输出信号取样后反馈给FB端实现电路自身的反馈，解除过压过流现象。芯片可以实现保护电路，方便快捷。因此，选择此方案。
2 电路设计与参数分析
2.1 电路图与参数计算
（1）Lo的计算公式：
Lo（min） =
这里KIND=0.2，，Fsw=600KHZ，
当Vo=12V时，L=17uH。这里电感取22uH。
（2）电容Cout的确定： Cout>2×?Iout/（fSW×?Vout）
由芯片的资料知，ΔUout=0.13V，ΔIout=1.75A。故得Cout=44.9pF。这里我们取47pF。
（3）电阻R4的确定：
R4=
这里fco=26.9KHz， gmps=12A/V，
gmea=350uA/V，精确定R4=20K可满足条件。
（4）电容C5的确定经查资料计算得，这里将选取4700pF的电容。
2.2 电压电流的取样电路
因为取样电阻的阻值不宜过大，因此选取10KΩ的电位器，根据分压原理，可计算得到各电压的阻值。
电压取样电路中电阻的选取，如图3所示。
由于输出电压Uo在3～12V之间。由：5/（10+R1+R2）=0.8/（10+R2）和10/（10+R1+R2）=0.8/R2 解得R1=36.2KΩ、R2=3.3KΩ。
电流取样电路的选取：为实现恒流500mA-1500mA的调节，将输出的电压通过INA210转换为电压信号，计算与恒压的相似。取样电路两端电压范围在10～30V之间
同理 解得 R3=172.5KΩ、R4=5.0KΩ。
3 测试方法与结果分析
3.1 测试方法与仪器
（1）测试方法：首先测试FB端的输出电位是否为0.8V，保证器件爱你无损坏。用数字万用表测量输出电压和电流，可通过测量电流检测芯片的电压确定输出电流，测量效率时还要测量输入电压和电流。
（2）仪器设备：数字万用表DT9205A，示波器。
3.2 测试数据及处理
3.2.1 输出电压和输出电流测试（负载RL=4Ω）
在系统的输出端接上4Ω的电阻，通电，用DT9205A万用表测试输出电压和输出电流。调节反馈电阻，测试结果如下：
次数N 输入电压V 输出电压范围V 输出电流范围mA
1 14.3 5.024～10.09 516～1587
2 15.5 5.099～9.99 520～1492
经测试，结果符合设计要求。
3.2.2 整机效率测试（负载RL=4Ω）
输入电压V 输入电流A 输入功率W 输出电压V 输出电流 A 输出功率W 整机效率%
14.08 0.53 7.46 5.12 1.3 6.67 89.4
经测试，在输入电压UI=15V，输出电压Uo=10V，输出电流Io=1.5A时，系统满载的输出噪声纹波电压为8mV，满足设计要求。
3.2.3 保护功能测试
经测试，在输入电压UI=15V，输出电压Uo=10V，负载RL=4Ω，输出电流Io≥2A时，电路可以自动过流保护，电路可自动恢复正常，在输入电压UI=15V，输出电流Io=1A，负载RL=4Ω时，输出电压Uo≥11V，电路能够自动过压保护，故障接触后能够自动恢复。
3.2.4 负载调整率的测试（输入电压UI=15V）
测试次数 空载电压 满载电压 负载调整率
1 6.375 6.328 0.73%
2 9.771 9.695 0.79%
经测试，系统电压调整率满足设计要求。
3.2.5 电压调整率的测试（输出电流Io=1.5A，负载RL=4Ω）
测试次数 输入电压1 输入电压2 输出电压1 输出电压2 电压调整率
1 12.84 15.61 5.035 5.036 0.02%
2 13.31 15.88 5.082 5.083 0.02%
经测试，系统电压调整率满足设计要求。
3.3 误差分析以及焊接调试中出现的问题
系统的输出电压，输出电流、电压调整率、负载调整率＼整机效率以及纹波噪声电压都满足设计要求。但由于电路中所有的器件都不是理想的器件，电路布局不是非常理想，因此很难保证测得的数据完全精确。计算得到的参数很难实现跟理论计算值的高精度的吻合，而且有一些相差很远，造成了电路的稳定性下降。
改进方法：通过改变电路的结构，对参数的重新计算，选择更加精确地器件，使电路更加稳定、精确、高效。
焊接中，出现电路应以过热的现象，我们将PWRPD端接地的同时，用大量的焊锡辅助散热，以及用漆包线缠绕电感解决散热问题。因为肖特基二极管的高频特性要好，因此输出端的二极管将采用肖特基二极管。电容、电感以及肖特基二极管在焊接过程过尽量靠近。
参考文献
[1] 余小平，奚大顺.电子系统设计—基础篇[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[2] 黄智伟.常用电路模块制作[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[3] 陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.
作者单位
曲阜师范大学物理工程学院 山东省济宁市曲阜市 273165
