【研究背景及意義】

直流穩壓電源廣泛應用于汽車、航空、直流調速等領域。其中，5V直流電源是通信電子設備常用的電源。

直流電源電路結構有很多種，主要分為兩類：單端變換器(反激式、正激式)和雙端變換器(推挽式、半橋式、全橋式)。本文介紹了一種基于降壓變換器的5V開關電源的設計方法。所設計的開關電源系統效率高，可作為手機充電電源。

【方法與結果】

整流濾波電路設計：為了提高工作效率，采用整流橋來實現。參數選擇應考慮最大電流限制和反向耐壓限制。濾波電路一般由電容器、電感和電阻組成。考慮到本次實驗中整流濾波電路之后還有其他轉換電路，且負載容量較小，采用電容濾波來滿足要求。

DC/DC拓撲電路方案：DC/DC變換器是整個系統的核心，它可以控制輸出電壓，決定整個系統的效率。電壓調節率和負載調節率的要求主要體現在DCDC變換器的輸出電壓穩定性和系統閉環調節的準確性上。

根據設計要求具有降壓功能，滿足要求的電路結構有很多。本課題采用降壓電路實現DC-DC轉換。降壓變換器又稱降壓變換器。降壓電路結構簡單，不需要隔離變壓器，控制靈活方便。Buck變換器的工作原理和電流波形如圖1所示。

圖1 降壓變換器電路原理及電流波形圖

Buck電路的工作過程可分為兩個階段。當開關接通時，輸入電壓加到LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。當開關斷開時，由于電感上的電流不能突然改變，電感電流流過二極管VD。當開關再次打開時，二極管VD迅速關斷，電流從輸入電源和開關管流出。在開關打開之前的那一刻，電感上的電流Imin是通過開關的初始電流。

PWM控制電路設計：控制電路最重要的功能是產生PWM信號。PWM信號可以控制Buck電路中主功率開關器件的通斷，并通過調節占空比來控制輸出電壓的平均值。產生PWM信號的主要方法是集成控制芯片(TL494、SG3525、UC3842)等。

本文采用SG3525控制裝置。與其他控制芯片相比，SG3525的軟啟動性能優越，外圍電路也非常簡單，占空比調節更方便，頻率可調。實驗表明，Buck電路的開關頻率在25~50kHz范圍內，Buck穩壓器的整體體積可以隨著頻率的增加而減小。

但是頻率超過50kHz，這種優勢就非常有限了，因為這不僅增加了損耗，而且還需要大體積的散熱器。本文的頻率為20kHZ，具體參數值可從SG3525的振蕩頻率中得到。

輸出過流保護電路的設計：負載過流保護主要是保護輸出電流過大，防止電路電流過大而產生安全問題的一種保護裝置。SG3525具有過流保護功能。可以使用SG3525芯片的10針鎖存控制端子來控制電路的輸出。

工作時，一般將比較器的非反相端子通過康坦線連接到負載電壓端子，將反相端子連接到參考電壓端子，將輸出端子通過電阻連接到芯片的引腳10。當電壓達到一定值時，比較器的輸出將提高引腳10的電位。

當引腳10上的信號高時，PWM小寄存器將快速動作，禁止SG3525 OUTPUT輸出。此外，軟啟動電容器也在此時開始放電。如果高電平持續，則軟啟動電容器將完全放電，直到關機信號結束，然后重新進入軟啟動過程，實現過流保護。過流保護電路原理如圖2所示。

圖2 過流保護電路原理圖

系統總體設計如圖3所示，主要包括降壓電路、PWM產生電路、保護電路和顯示電路。

圖3 系統設計電路圖

開關電源測試波形如圖4所示：

圖4 負載為5Ω時的輸出顯示

【總結與討論】

本文介紹了采用降壓電路設計實現5V開關直流電源的方法。所設計的開關電源具有紋波小、連續可調、穩定性好等優點，可用于低壓、大功率供電場合。

①輸入交流電壓Ui為：180V~240V。

②輸出直流電壓UO為：4.5V~5.5V。

③輸出電流I OMAX ：2A。

④具有過流保護功能。

⑤具有輸出電壓測量和數顯功能。