二次可调开关直流电源的设计

摘要：当前实验用的低压直流电源，是把220伏交流电用变压器降压、整流滤波后再通过线性稳压电路和线性稳流电路对外供电。电源变压器体积大、重量大、工作温度高、电压适应范围小，用线性稳压电路稳压恒流电能利用效率低，电能的很大比例消耗在自身的电路上。提高低压直流电源效率的最有效办法采用开关电源，但开关电源只适合于输出电压固定(或变化范围不大的场合)，为了解决上述问题，这里利用开关型稳压器件设计出二次可调开关直流电源，以替换现在实验室中普遍使用的直流电源。
关键词：线性稳压；线性恒流；开关电源

0 引言
物理实验室给师生使用的实验电源都是把220V的交流电用工频变压器降压、用整流滤波电路变成36V的直流电后再用线性稳压电路或线性稳流电路向外供电，线性稳压在低电压供电时效率很低，如用它给6V 1A的用电器供电时，稳压电路从电源最少要吸取的电能是36V×1A= 36W(不包含变压器和整流滤波电路消耗的电能)，对用电器的供电功率仅有6W，电能利用效率仅是6／36=0．16=16．7％，也就是说它要在自己的内部电路上消耗30W的电能。在许多应用场合都需要电流源，而不是电压源，当实验需要能提供大电流的电流源时，使用线性稳压器是不可取的，其原因在于串联电阻器的功耗很大。提高电源效率的最有效办法是采用开关电源，开关电源具有精确度高、性能稳定等优良的电子特性和体积小、重量轻、效率高、响应速度快、电压调整范围大等一系列优点，但开关电源只适合于输出电压固定或变化范围不大的场合，而不适合要求输出电压幅度变化很大或连续可调的场合，为了解决传统实验电源的功率浪费和形体笨重，以及开关电源只适合于输出电压固定或变化范围不大的问题。本文利用最常用的开关型稳压器件LM2576设计出二次开关电源，以便替换现在实验室中使用的直流电源。

1 电路控制设计
1．1 电路结构
220V市电首先用一次开关电路降成40V直流电，这样可以避免工频变压器体积大、重量大、适应市电变化范围小的问题。然后分别用开关稳压电路组成可调稳压电路和可调稳流电路(二次开关)，这样可以大幅度地提高电能的利用效率，减少电源自身的功耗。
二次开关直流电源结构如图1所示。其中5V二次开关稳压是数字电流表和电压表的供电电源。

1．2 一次开关降压电源电路
一次开关降压电源电路，首先把220V的交流电经整流、滤波电路变成约300V直流电压，然后通过高频开关电路控制开关元件控制通过高频变换器的导通电流和截止时间比例来调节高频变换器的输出电压，高频变换器输出的矩形波电压经整流、滤波变为所需要的直流电压。电压控制电路由振荡器、取样电路、比较器、脉宽调制及基准电压等电路构成。为了使电路简单可靠，一般选用开关电源用集成电路。该设计选用西门子公司最新推出的TDA1683x系列电流型单片开关电源，它具有体积小、外围电路简单、温度范围宽的特点，其电路原理图如图2所示。

为了简单，在试验制作之时我们直接选用市场上购买的输出40V 3A开关成品电源，如图3所示。

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1．3 稳压源电路
1．2～35V／3A可调开关稳压电源由LM2576-ADJ实现。它内含固定频率为52kHz振荡器和基准稳压为1．23V的稳压器，且具有完善的保护电路，有电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

电路中用LM2576-ADJ开关型稳压集成电路制作的1．2～35V可调稳压电源，如图4所示，可知输出电压与分压网络(R2／Ri)的反馈电压有关， 它们之间满足：
Uout=UREF(I+R2／Ri)
其中URFF=1．23V。
第4脚为输出控制端，所以只要对分压网络中的R2用来调节就可以达到控制输出电压的目的。电路中的电感器由于承受大电流所以不能用色环的(可以自制)，其电感的大小用电感测试仪测试。
1．4 恒流源源电路
25mA～1A二次开关可调恒流源电路如图5所示。由图可知LM2576-ADJ的取样网络由负载电阻R4和电流取样电阻R5组成。I0=UREF／(R4／R5)，调节R5的阻值，就可改变输出电流。当UREF=1．23 V，R4=1．2 Ω，Rf51 Ω时，I0=25mA～1A。

1．5 数字电压、电流指示
用现有的数字电压表和数字电流表(由集成块ICL7107组成)来指示电路对外提供的电压和电流，其电源供电如图6所示，它用LM2596(不可调)组装。

2 结论
(1)首先用一次开关稳压电源把220V的交流电变成40V／3A的直流电，以减轻整个电源的体积和重量提高电源对市电的适应范围。
(2)用LM2576-ADJ分别设计成可调电压源和可调电流源以提高电路的电能利用效率。
(3)用数字电压表和数字电流表来指示电源的供电电流和供电电压。
(4)用器件本身的过压保护功能来提供短路过流保护。