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