基于LM2596的不间断直流电源设计方案

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在主电源断电时，电路通过继电器自动将蓄电池切入，给设备供电。在主电源正常时，以不同模式给蓄电池充电：当电压大于设定值时，恒压充电；当电压低于设定值时，恒流充电。测试结果证明该系统可以通过继电器对电路进行过流保护与欠压保护。
       
        0引言
       
        该设计方案的指标要求：
       
        蓄电池为4.2 V，负载为5 V.为此利用开关电压调节器LM2596进行DC-DC变换，具有驱动能力强，线性较好的特点。该不间断直流电源的主要特点如下：主电源正常时，除可以给设备供电外，还可以以不同模式给蓄电池充电，当电压大于4.2 V时，切断恒流充电电路，接通恒压充电电路；当电压低于4.2 V时，保持恒流充电；恒压充电由W117和运放LM324构成，具有输出稳定，波纹小等特点。恒流充电由大功率场管IRF640和运放LM324组成，具有输出电流精度高，纹波小，输出电流受负载影响小等特点；若主电源断电，则自动将蓄电池切入，保持电源不间断。
       
        1系统设计方案
       
        1.1系统总体框图
       
        根据系统设计要求，该不间断直流电源具有：在无交流电源时，不间断给设备供电；交流电源正常时，有恒压充电和恒流充电两种模式；综合设计要求，形成系统框图如图1所示。
         
       
       
       
        1.2 DC-DC变换器方案的选择
       
        采用开关电压调节器LM2596，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，可固定输出3.3 V，5 V，12 V三种电压，也可实现在1.2~37 V之间的可调输出。
       
        该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更简化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内。可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。
       
        DC-DC变换器电路如图2所示。
       
       
       
        1.3恒压充电电路设计
       
        恒压充电电路如图3所示，电路由运放LM324和三端稳压器W117构成。LM324连接成电压跟随器，其输出电压U1 = U- = U+ = UX，可见输出电压可通过调节电阻R2中间抽头来改变。由于运放的存在，使输出电压的调整非常平稳。
         
       
       
       
        1.4压控恒流充电电路设计
       
        电路原理如图4所示。该恒流源电路由运放LM324、场效应管IRF640、采样电阻R3、负载电阻RL等组成。
         
       
       
        电路采用大功率场效应管IRF640作为调整管，该管为N沟道增强型MOS管，该管工作电压最高可达100 V，饱和漏极电流可达28 A，功耗约为150 W.当场效应管工作于饱和区时，漏极电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时，满足：Id = f（Ugs），只要Ugs不变，Id就不变。
       
        在此电路中，R2为康铜丝材料的取样电阻（阻值随温度的变化小）。OP07作为电压跟随器，有U+ = U - = Us，由于栅极电流可忽略不计，因此Id = Is = I2 = Us R2 =U+ R2.正因为Id = U+ R2，电路输入电压U+控制电流Id，即Id不随RL的变化而变化，从而实现压控恒流。图4中参数充电电流为200 mA.若要改变充电电流，只需调整R2即可。
        1.5直流升压电路设计
       
        设置直流升压电路的目的是将4.2 V升压为5 V.直流升压器的电路如图5所示，电路主要由新颖的DC-DC升压变换集成电路组成。
       
       
        LTC1872是一种超小型DC-DC直流变换集成电路，效率高达90%，低功耗状态电流为270μA，本电路实现输入4.2 V直流电压变换为输出5 V、最大负载电流为1 A的直流电压。该电路输出电压精度可为±4%.
       
        1.6电压采样电路设计
       
        电压采样电路如图6所示。当充电电压U01》4.2 V时，T1导通，继电器常闭触点JM1断开，常开触点JM2接通恒压充电电路；当充电电压U01《4.2 V时，T1截止，继电器常闭触点JM1接通，恒流充电电路工作，常开触点JM2断开，恒压充电电路不工作。
         
       
       
       
        1.7继电器切换电路
       
        切换电路采用继电器控制，简洁易控，性价比高，电路如图7所示。电网电压正常时，继电器吸合K1接通，K2断开，由LM2596供电；当电网断电时，继电器释放K1断开，K2闭合，由蓄电池供电。选用的继电器型号为HRS2H-S-DC5V-N，线圈额定工作电压为5 V，触点最大耐压值直流电压为24 V，电流为3 A.
         
       
       
       
        2系统测试
       
        2.1电源电路测试
       
        当Ui在176~253 V时，在经过隔离变压器，整流滤波及LM2596变换器时，U03可达到5.1 V、I0为1 A.同时在满载的条件下，电压的最大调整率为0.24%.当Ui为176 V时，在空载到满载的条件下，整个负载的调整率可达到1%.
       
        当在满载时，它的纹波电压≤5 mV.在测试满载条件整个电路的效率时，它的最低效率可达到70%.
       
        2.2充电电路测试
       
        恒流、恒压充电测试：经测试充电电路能够在满足恒流（200 mA）充电时，当电压达到4.2 V时，会自动改为恒压（5 V）进行充电。
       
        同时蓄电池向升压电路供3~4.2 V电压时，经过LTC1872升压电路，可达到U02 = 5 V，I0 =1 A，便可保证经过切换电路向用电设备提供足够的电源。
       
        2.3升压电路测试
       
        升压电路测试结果如下：
         
       
       
       
        从测试结果看出，升压电路工作正常。
       
        3结语
       
        本方案所设计的不间断直流电源，主要是利用LM2596和W117等芯片，较成功地实现了设计要求的功能，电路易于实现，测试结果表明电路性能较好，符合系统方案设计要求，整体性能稳定，具有较好的应用价值。