一款轻巧高效的开关电源电路,LM2576 power supply
一款轻巧高效的开关电源电路,lm2576 power supply
关键字：lm2576,开关电源电路
作者：张汉屏
一个性能优良的电源，是所有电子设备的能源保障。现在电子技术发展迅猛，对电源的要求更趋苛刻，特别是一些大电流、宽电压输入范围之电源更是如此。原来的串联稳压电源由于其体积大、效率低、发热严重等缺点已被逐步淘汰出局，设计者转而关注并采用轻巧、效率高的开关电源电路，并逐步延伸到各个领域应用。
其中的一款lm2576芯片性能比较优良，能在很宽的电源范围下工作；普通型的上限达到40v，而lm2576hv能达到60v，输出电流均在3a左右（散热条件良好情况下）。而且，该芯片外围元件少，调试容易，所以为很多人所采用，特别是在dc-dc变换器上应用最广泛。
但是，由于dc-dc变换器输入电源多数为化学电源，即各类电池，而电池具有内阻，空载和满载端电压变化很大，所以制造大功率电池时，为减少电池极板面积，厂家的策略往往是增加串联个体数目，以致电池标称电压有逐渐增高趋向。以自行车用48v铅酸动力电池为例，空载时为58v，满载为48v。而48v燃料电池空载更达72v，满载达48v。
显而易见，48v铅酸电池空载电压已超过lm2576上限，已接近lm2576hv输入上限，而48v的燃料电池空载已超过lm2576hv上限。而且，很多应用要求dc-dc输出5-15a的电流，这就迫使lm2576输出扩流。然而这并非用大功率管组成射极跟随就可扩展为需要值。读者也不必去尝试，其结果为大功率管无法承受功耗发热严重而损坏！
欲使系统满足高电压输入、大电流输出要求，当然最简单是改换电路结构，采用高频变压器输出的开关电源。但是某些芯片转换效率欠佳，系统体积也无法和lm2576相比；而且由于制作方面复杂性，造价也倍于后者，所以很多输入、输出电源无需电气隔离的电源。设计者总不太喜欢采用，而希望保留简洁的lm2576平台，加以外围辅助电路，从而实现其性能提升，制作出具较高性价比的应用产品。
笔者接受一个在48v燃料电池控制龟源的任务：其参数为输入电压空载72v到过流时39v，输出为30v稳压、输出7a。而且有体积上的限制，不允许安装大的散热片。其中如此高的电源电压一项，就使很多元器件失去用户之地！为此，需要对输入电压、输出电流的扩展电路作一个全新的两全齐美的设计，才能脱出困境!
反复推敲得出具体设计方案：芯片电源用简易串稳电源24v供电，用vmos管作为开关管替代芯片片内开关管；芯片仅作为vmos管驱动器应用。
实现此方案的关键问题，就是要求电路既要有效传送驱动信号，又要同时保证外接vmos管与芯片输出端电位隔离良好，避免芯片与管子同归于尽的后果发生！
经过多次试验，简易电路具体结构介绍如下图所示。其中，r1、q1、d1、q2组成24v简易稳压电路。c3为滤波电容。该电源为lm2576提供稳定23v电源。当电源输入低于25v时不能稳压，但仍能在20v以上电压工作。如欲工作于低电源电压，可降低d1稳压值，实验可低到10v应用，而不影响电路工作，但rl须调整阻值，使稳压管正常工作。由于该电源仅提供小电流输出的lm2576芯片，所以q2不需装散热片。
在电源上限不超过芯片输入电压上限值时（lm2576hv-60v，lm2576-40v）可省略稳压电路，电池直接lm2576电源端。
lm2576输出由r2、r3分压驱动q7导通与截止。q7导通时，电流从vcc流出经d3、d2、r4、q7到地。d3产生15v电压供给q3～q5栅压，而q6因d2导通而反偏充分截止。截止时的高阻不构成q3～q5栅压的旁路。从而使q3～q5充分导通，c2充电。q7截止时，vcc→d3→d2→r4电流回路被切断，d3无压降使q3～q5栅压消失，而d2截止，不构成对q6反偏箝位。q6因r6供电导通，致使q3～q5栅极同源极短接，从而迫使q3～q5迅速关断，c2仍由d4产生下正上负的感生电压通过l1充电。
此状态直至q7重新导通结束。
q7由lm2576输出端口经r2、r3分压驱动，高电平时导通，低电平截止。由于vmos管驱动电流很小，因此5551驱动3～4个vmos是没有问题的。必要时更换tip41驱动能力更大，能驱动更多的vmos管。
lm2576-adj（adj为输出电压可调型）的电压调整机理，由r7、r5阻值调整构成调节系统。
其公式vout(v)=1.23*(r7/r5+1)，附加的电子开关不影响其数值。电路中r7为42k，r5为1.8k；实测输出电为30.3v。同计算值非常接近。
电路调试结果：品质极其良好，基本上合乎设计要求；输出电压稳定，发热很小；在不加散热片情况下，3个irf9540并联输出4a时工作3小时管子不烫手；而lm2576和20100肖特基二极管根本无温升。装上散热片后，可输出7.0a电流。转换效率同im2576单独应用相仿。其性能竟满足了要求极其苛刻的军方要求：输入电压22～80v；输出电流1～7a；全天候工作温升＜27℃的来说，系统提升应用效果相当成功。
此外，本电路还可派生出很多应用电路，如可以用作有刷直流电机控制器；r7改成电位器可平稳的调节转速；r5并接适当阻值负温热敏电阻后，使成为一个dc无刷风机控制器；可根据器件温升自动调节风机转速…，作为一个高效、宽范围电源输入、大功率输出平台；肯定有很多等待读者开发用途！
注：lm2576---to-220封装
irf9540、tip41、20100均为to-220封装
d1、d2、d3均为贴片1005封装
ql、q6、q7为贴片sot-23封装
r1-r7为贴片0805封装
l1中12x16工字磁芯用1.35漆色铜线绕制，电感量47μh-100μh
c1、c3为rb.3/．6封装
c2为rb．2/．4封装
c5为贴片1005封装
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笔者接受一个在48v燃料电池控制龟源的任务：其参数为输入电压空载72v到过流时39v，输出为30v稳压、输出7a。而且有体积上的限制，不允许安装大的散热片。其中如此高的电源电压一项，就使很多元器件失去用户之地！为此，需要对输入电压、输出电流的扩展电路作一个全新的两全齐美的设计，才能脱出困境!
反复推敲得出具体设计方案：芯片电源用简易串稳电源24v供电，用vmos管作为开关管替代芯片片内开关管；芯片仅作为vmos管驱动器应用。
实现此方案的关键问题，就是要求电路既要有效传送驱动信号，又要同时保证外接vmos管与芯片输出端电位隔离良好，避免芯片与管子同归于尽的后果发生！
经过多次试验，简易电路具体结构介绍如下图所示。其中，r1、q1、d1、q2组成24v简易稳压电路。c3为滤波电容。该电源为lm2576提供稳定23v电源。当电源输入低于25v时不能稳压，但仍能在20v以上电压工作。如欲工作于低电源电压，可降低d1稳压值，实验可低到10v应用，而不影响电路工作，但rl须调整阻值，使稳压管正常工作。由于该电源仅提供小电流输出的lm2576芯片，所以q2不需装散热片。
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