基于LM2596 的不間斷直流電源設(shè)計(jì)方案

在主電源斷電時(shí)，電路通過(guò)繼電器自動(dòng)將蓄電池切入，給設(shè)備供電。在主電源正常時(shí)，以不同模式給蓄電池充電：當(dāng)電壓大于設(shè)定值時(shí)，恒壓充電;當(dāng)電壓低于設(shè)定值時(shí)，恒流充電。測(cè)試結(jié)果證明該系統(tǒng)可以通過(guò)繼電器對(duì)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)與欠壓保護(hù)。

0 引言

該設(shè)計(jì)方案的指標(biāo)要求：

蓄電池為4.2 V,負(fù)載為5 V.為此利用開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596 進(jìn)行DC-DC 變換，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，線性較好的特點(diǎn)。該不間斷直流電源的主要特點(diǎn)如下：主電源正常時(shí)，除可以給設(shè)備供電外，還可以以不同模式給蓄電池充電，當(dāng)電壓大于4.2 V時(shí)，切斷恒流充電電路，接通恒壓充電電路;當(dāng)電壓低于4.2 V時(shí)，保持恒流充電;恒壓充電由W117 和運(yùn)放LM324 構(gòu)成，具有輸出穩(wěn)定，波紋小等特點(diǎn)。恒流充電由大功率場(chǎng)管IRF640 和運(yùn)放LM324組成，具有輸出電流精度高，紋波小，輸出電流受負(fù)載影響小等特點(diǎn);若主電源斷電，則自動(dòng)將蓄電池切入，保持電源不間斷。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，該不間斷直流電源具有：在無(wú)交流電源時(shí)，不間斷給設(shè)備供電;交流電源正常時(shí)，有恒壓充電和恒流充電兩種模式;綜合設(shè)計(jì)要求，形成系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 DC-DC變換器方案的選擇

采用開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596,能夠輸出3 A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，可固定輸出3.3 V,5 V,12 V 三種電壓，也可實(shí)現(xiàn)在1.2~37 V之間的可調(diào)輸出。

該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為150 kHz,與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4 個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更簡(jiǎn)化了LM2596 的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)。可以用僅80 μA 的待機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)外部斷電;具有自我保護(hù)電路(一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過(guò)溫完全保護(hù)電路)。

DC-DC變換器電路如圖2所示。

1.3 恒壓充電電路設(shè)計(jì)

恒壓充電電路如圖3所示，電路由運(yùn)放LM324和三端穩(wěn)壓器W117構(gòu)成。LM324連接成電壓跟隨器，其輸出電壓U1 = U- = U+ = UX,可見(jiàn)輸出電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2 中間抽頭來(lái)改變。由于運(yùn)放的存在，使輸出電壓的調(diào)整非常平穩(wěn)。

1.4 壓控恒流充電電路設(shè)計(jì)

電路原理如圖4所示。該恒流源電路由運(yùn)放LM324、場(chǎng)效應(yīng)管IRF640、采樣電阻R3、負(fù)載電阻RL 等組成。

電路采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF640 作為調(diào)整管，該管為N 溝道增強(qiáng)型MOS 管，該管工作電壓最高可達(dá)100 V,飽和漏極電流可達(dá)28 A,功耗約為150 W.當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作于飽和區(qū)時(shí)，漏極電流Id 近似為電壓Ugs 控制的電流。即當(dāng)Ud 為常數(shù)時(shí)，滿足：Id = f (Ugs) ,只要Ugs不變，Id 就不變。

在此電路中，R2 為康銅絲材料的取樣電阻(阻值隨溫度的變化小)。OP07作為電壓跟隨器，有U+ = U - = Us,由于柵極電流可忽略不計(jì)，因此Id = Is = I2 = Us R2 =U+ R2.正因?yàn)镮d = U+ R2,電路輸入電壓U+ 控制電流Id,即Id 不隨RL 的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)壓控恒流。圖4中參數(shù)充電電流為200 mA.若要改變充電電流，只需調(diào)整R2 即可。

1.5 直流升壓電路設(shè)計(jì)

設(shè)置直流升壓電路的目的是將4.2 V升壓為5 V.直流升壓器的電路如圖5所示，電路主要由新穎的DC-DC升壓變換集成電路組成。

LTC1872是一種超小型DC-DC直流變換集成電路，效率高達(dá)90%,低功耗狀態(tài)電流為270 μA,本電路實(shí)現(xiàn)輸入4.2 V 直流電壓變換為輸出5 V、最大負(fù)載電流為1 A的直流電壓。該電路輸出電壓精度可為±4%.

1.6 電壓采樣電路設(shè)計(jì)

電壓采樣電路如圖6所示。當(dāng)充電電壓U01 >4.2 V時(shí)，T1 導(dǎo)通，繼電器常閉觸點(diǎn)JM1 斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)JM2 接通恒壓充電電路;當(dāng)充電電壓U01 4.2 V 時(shí)，T1 截止，繼電器常閉觸點(diǎn)JM1 接通，恒流充電電路工作，常開(kāi)觸點(diǎn)JM2斷開(kāi)，恒壓充電電路不工作。

1.7 繼電器切換電路

切換電路采用繼電器控制，簡(jiǎn)潔易控，性價(jià)比高，電路如圖7所示。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，繼電器吸合K1接通，K2斷開(kāi)，由LM2596供電;當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，繼電器釋放K1斷開(kāi)，K2 閉合，由蓄電池供電。選用的繼電器型號(hào)為HRS2H-S-DC5V-N,線圈額定工作電壓為5 V,觸點(diǎn)最大耐壓值直流電壓為24 V,電流為3 A.

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 電源電路測(cè)試

當(dāng)Ui 在176~253 V時(shí)，在經(jīng)過(guò)隔離變壓器，整流濾波及LM2596變換器時(shí)，U03 可達(dá)到5.1 V、I0 為1 A.同時(shí)在滿載的條件下，電壓的最大調(diào)整率為0.24%.當(dāng)Ui 為176 V時(shí)，在空載到滿載的條件下，整個(gè)負(fù)載的調(diào)整率可達(dá)到 1%.

當(dāng)在滿載時(shí)，它的紋波電壓≤5 mV.在測(cè)試滿載條件整個(gè)電路的效率時(shí)，它的最低效率可達(dá)到70%.

2.2 充電電路測(cè)試

恒流、恒壓充電測(cè)試：經(jīng)測(cè)試充電電路能夠在滿足恒流(200 mA)充電時(shí)，當(dāng)電壓達(dá)到4.2 V 時(shí)，會(huì)自動(dòng)改為恒壓(5 V)進(jìn)行充電。

同時(shí)蓄電池向升壓電路供3~4.2 V 電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)LTC1872 升壓電路，可達(dá)到U02 = 5 V, I0 =1 A,便可保證經(jīng)過(guò)切換電路向用電設(shè)備提供足夠的電源。

2.3 升壓電路測(cè)試

升壓電路測(cè)試結(jié)果如下：

從測(cè)試結(jié)果看出，升壓電路工作正常。

3 結(jié)語(yǔ)

本方案所設(shè)計(jì)的不間斷直流電源，主要是利用LM2596和W117等芯片，較成功地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的功能，電路易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果表明電路性能較好，符合系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求， 整體性能穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。