一款輕巧高效的開關(guān)電源電路,LM2576 power supply

作者：張漢屏

一個性能優(yōu)良的電源，是所有電子設(shè)備的能源保障。現(xiàn)在電子技術(shù)發(fā)展迅猛，對電源的要求更趨苛刻，特別是一些大電流、寬電壓輸入范圍之電源更是如此。原來的串聯(lián)穩(wěn)壓電源由于其體積大、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重等缺點(diǎn)已被逐步淘汰出局，設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)而關(guān)注并采用輕巧、效率高的開關(guān)電源電路，并逐步延伸到各個領(lǐng)域應(yīng)用。

其中的一款LM2576芯片性能比較優(yōu)良，能在很寬的電源范圍下工作；普通型的上限達(dá)到40V，而LM2576HV能達(dá)到60V，輸出電流均在3A左右（散熱條件良好情況下）。而且，該芯片外圍元件少，調(diào)試容易，所以為很多人所采用，特別是在DC-DC變換器上應(yīng)用最廣泛。

但是，由于DC-DC變換器輸入電源多數(shù)為化學(xué)電源，即各類電池，而電池具有內(nèi)阻，空載和滿載端電壓變化很大，所以制造大功率電池時(shí)，為減少電池極板面積，廠家的策略往往是增加串聯(lián)個體數(shù)目，以致電池標(biāo)稱電壓有逐漸增高趨向。以自行車用48V鉛酸動力電池為例，空載時(shí)為58V，滿載為48V。而48V燃料電池空載更達(dá)72V，滿載達(dá)48V。

顯而易見，48V鉛酸電池空載電壓已超過LM2576上限，已接近LM2576HV輸入上限，而48V的燃料電池空載已超過LM2576HV上限。而且，很多應(yīng)用要求DC-DC輸出5-15A的電流，這就迫使LM2576輸出擴(kuò)流。然而這并非用大功率管組成射極跟隨就可擴(kuò)展為需要值。讀者也不必去嘗試，其結(jié)果為大功率管無法承受功耗發(fā)熱嚴(yán)重而損壞！

欲使系統(tǒng)滿足高電壓輸入、大電流輸出要求，當(dāng)然最簡單是改換電路結(jié)構(gòu)，采用高頻變壓器輸出的開關(guān)電源。但是某些芯片轉(zhuǎn)換效率欠佳，系統(tǒng)體積也無法和LM2576相比；而且由于制作方面復(fù)雜性，造價(jià)也倍于后者，所以很多輸入、輸出電源無需電氣隔離的電源。設(shè)計(jì)者總不太喜歡采用，而希望保留簡潔的LM2576平臺，加以外圍輔助電路，從而實(shí)現(xiàn)其性能提升，制作出具較高性價(jià)比的應(yīng)用產(chǎn)品。

筆者接受一個在48V燃料電池控制龜源的任務(wù)：其參數(shù)為輸入電壓空載72V到過流時(shí)39V，輸出為30V穩(wěn)壓、輸出7A。而且有體積上的限制，不允許安裝大的散熱片。其中如此高的電源電壓一項(xiàng)，就使很多元器件失去用戶之地！為此，需要對輸入電壓、輸出電流的擴(kuò)展電路作一個全新的兩全齊美的設(shè)計(jì)，才能脫出困境!

反復(fù)推敲得出具體設(shè)計(jì)方案：芯片電源用簡易串穩(wěn)電源24V供電，用VMOS管作為開關(guān)管替代芯片片內(nèi)開關(guān)管；芯片僅作為VMOS管驅(qū)動器應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)此方案的關(guān)鍵問題，就是要求電路既要有效傳送驅(qū)動信號，又要同時(shí)保證外接VMOS管與芯片輸出端電位隔離良好，避免芯片與管子同歸于盡的后果發(fā)生！

經(jīng)過多次試驗(yàn)，簡易電路具體結(jié)構(gòu)介紹如下圖所示。其中，R1、Q1、D1、Q2組成24V簡易穩(wěn)壓電路。C3為濾波電容。該電源為LM2576提供穩(wěn)定23V電源。當(dāng)電源輸入低于25V時(shí)不能穩(wěn)壓，但仍能在20V以上電壓工作。如欲工作于低電源電壓，可降低D1穩(wěn)壓值，實(shí)驗(yàn)可低到10V應(yīng)用，而不影響電路工作，但Rl須調(diào)整阻值，使穩(wěn)壓管正常工作。由于該電源僅提供小電流輸出的LM2576芯片，所以Q2不需裝散熱片。

在電源上限不超過芯片輸入電壓上限值時(shí)（LM2576HV-60V，LM2576-40V）可省略穩(wěn)壓電路，電池直接LM2576電源端。

LM2576輸出由R2、R3分壓驅(qū)動Q7導(dǎo)通與截止。Q7導(dǎo)通時(shí)，電流從VCC流出經(jīng)D3、D2、R4、Q7到地。D3產(chǎn)生15V電壓供給Q3～Q5柵壓，而Q6因D2導(dǎo)通而反偏充分截止。截止時(shí)的高阻不構(gòu)成Q3～Q5柵壓的旁路。從而使Q3～Q5充分導(dǎo)通，C2充電。Q7截止時(shí)，VCC→D3→D2→R4電流回路被切斷，D3無壓降使Q3～Q5柵壓消失，而D2截止，不構(gòu)成對Q6反偏箝位。Q6因R6供電導(dǎo)通，致使Q3～Q5柵極同源極短接，從而迫使Q3～Q5迅速關(guān)斷，C2仍由D4產(chǎn)生下正上負(fù)的感生電壓通過L1充電。

此狀態(tài)直至Q7重新導(dǎo)通結(jié)束。

Q7由LM2576輸出端口經(jīng)R2、R3分壓驅(qū)動，高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平截止。由于VMOS管驅(qū)動電流很小，因此5551驅(qū)動3～4個VMOS是沒有問題的。必要時(shí)更換TIP41驅(qū)動能力更大，能驅(qū)動更多的VMOS管。

LM2576-ADJ（ADJ為輸出電壓可調(diào)型）的電壓調(diào)整機(jī)理，由R7、R5阻值調(diào)整構(gòu)成調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

其公式VOUT(V)=1.23*(R7/R5+1)，附加的電子開關(guān)不影響其數(shù)值。電路中R7為42K，R5為1.8K；實(shí)測輸出電為30.3V。同計(jì)算值非常接近。

電路調(diào)試結(jié)果：品質(zhì)極其良好，基本上合乎設(shè)計(jì)要求；輸出電壓穩(wěn)定，發(fā)熱很??；在不加散熱片情況下，3個IRF9540并聯(lián)輸出4A時(shí)工作3小時(shí)管子不燙手；而LM2576和20100肖特基二極管根本無溫升。裝上散熱片后，可輸出7.0A電流。轉(zhuǎn)換效率同Im2576單獨(dú)應(yīng)用相仿。其性能竟?jié)M足了要求極其苛刻的軍方要求：輸入電壓22～80V；輸出電流1～7A；全天候工作溫升＜27℃的來說，系統(tǒng)提升應(yīng)用效果相當(dāng)成功。

此外，本電路還可派生出很多應(yīng)用電路，如可以用作有刷直流電機(jī)控制器；R7改成電位器可平穩(wěn)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；R5并接適當(dāng)阻值負(fù)溫?zé)崦?a target="_blank">電阻后，使成為一個DC無刷風(fēng)機(jī)控制器；可根據(jù)器件溫升自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速…，作為一個高效、寬范圍電源輸入、大功率輸出平臺；肯定有很多等待讀者開發(fā)用途！

注：LM2576---TO-220封裝
IRF9540、TIP41、20100均為TO-220封裝
D1、D2、D3均為貼片1005封裝
Ql、Q6、Q7為貼片SOT-23封裝
R1-R7為貼片0805封裝
L1中12X16工字磁芯用1.35漆色銅線繞制，電感量47μH-100μH
C1、C3為RB.3/．6封裝
C2為RB．2/．4封裝
C5為貼片1005封裝