一款輕巧高效的開關電源電路,LM2576 power supply

關鍵字：LM2576,開關電源電路

作者：張漢屏

　　一個性能優良的電源，是所有電子設備的能源保障。現在電子技術發展迅猛，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。原來的串聯穩壓電源由于其體積大、效率低、發熱嚴重等缺點已被逐步淘汰出局，設計者轉而關注并采用輕巧、效率高的開關電源電路，并逐步延伸到各個領域應用。

　　其中的一款LM2576芯片性能比較優良，能在很寬的電源范圍下工作；普通型的上限達到40V，而LM2576HV能達到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，調試容易，所以為很多人所采用，特別是在DC-DC變換器上應用最廣泛。

　　但是，由于DC-DC變換器輸入電源多數為化學電源，即各類電池，而電池具有內阻，空載和滿載端電壓變化很大，所以制造大功率電池時，為減少電池極板面積，廠家的策略往往是增加串聯個體數目，以致電池標稱電壓有逐漸增高趨向。以自行車用48V鉛酸動力電池為例，空載時為58V，滿載為48V。而48V燃料電池空載更達72V，滿載達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，很多應用要求DC-DC輸出5-15A的電流，這就迫使LM2576輸出擴流。然而這并非用大功率管組成射極跟隨就可擴展為需要值。讀者也不必去嘗試，其結果為大功率管無法承受功耗發熱嚴重而損壞！

　　欲使系統滿足高電壓輸入、大電流輸出要求，當然最簡單是改換電路結構，采用高頻變壓器輸出的開關電源。但是某些芯片轉換效率欠佳，系統體積也無法和LM2576相比；而且由于制作方面復雜性，造價也倍于后者，所以很多輸入、輸出電源無需電氣隔離的電源。設計者總不太喜歡采用，而希望保留簡潔的LM2576平臺，加以外圍輔助電路，從而實現其性能提升，制作出具較高性價比的應用產品。

　　筆者接受一個在48V燃料電池控制龜源的任務：其參數為輸入電壓空載72V到過流時39V，輸出為30V穩壓、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，就使很多元器件失去用戶之地！為此，需要對輸入電壓、輸出電流的擴展電路作一個全新的兩全齊美的設計，才能脫出困境!

　　反復推敲得出具體設計方案：芯片電源用簡易串穩電源24V供電，用VMOS管作為開關管替代芯片片內開關管；芯片僅作為VMOS管驅動器應用。

　　實現此方案的關鍵問題，就是要求電路既要有效傳送驅動信號，又要同時保證外接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生！

　　經過多次試驗，簡易電路具體結構介紹如下圖所示。其中，R1、Q1、D1、Q2組成24V簡易穩壓電路。C3為濾波電容。該電源為LM2576提供穩定23V電源。當電源輸入低于25V時不能穩壓，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穩壓值，實驗可低到10V應用，而不影響電路工作，但Rl須調整阻值，使穩壓管正常工作。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（LM2576HV-60V，LM2576-40V）可省略穩壓電路，電池直接LM2576電源端。

　　LM2576輸出由R2、R3分壓驅動Q7導通與截止。Q7導通時，電流從VCC流出經D3、D2、R4、Q7到地。D3產生15V電壓供給Q3～Q5柵壓，而Q6因D2導通而反偏充分截止。截止時的高阻不構成Q3～Q5柵壓的旁路。從而使Q3～Q5充分導通，C2充電。Q7截止時，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，不構成對Q6反偏箝位。Q6因R6供電導通，致使Q3～Q5柵極同源極短接，從而迫使Q3～Q5迅速關斷，C2仍由D4產生下正上負的感生電壓通過L1充電。

　　此狀態直至Q7重新導通結束。

　　Q7由LM2576輸出端口經R2、R3分壓驅動，高電平時導通，低電平截止。由于VMOS管驅動電流很小，因此5551驅動3～4個VMOS是沒有問題的。必要時更換TIP41驅動能力更大，能驅動更多的VMOS管。

　　LM2576-ADJ（ADJ為輸出電壓可調型）的電壓調整機理，由R7、R5阻值調整構成調節系統。

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

　　電路調試結果：品質極其良好，基本上合乎設計要求；輸出電壓穩定，發熱很小；在不加散熱片情況下，3個IRF9540并聯輸出4A時工作3小時管子不燙手；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。轉換效率同Im2576單獨應用相仿。其性能竟滿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，系統提升應用效果相當成功。

　　此外，本電路還可派生出很多應用電路，如可以用作有刷直流電機控制器；R7改成電位器可平穩的調節轉速；R5并接適當阻值負溫熱敏電阻后，使成為一個DC無刷風機控制器；可根據器件溫升自動調節風機轉速…，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