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毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号： 系 部： 专 业： 题 目： 自动切换双路电源设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2012 年 6 月 南 京A Dissertation Submitted toAutomatic Switch Device for Double Power Supply June 2012摘要本论文设计了一个自动切换双路电源装置，主要由AC/DC、切换电路、充电电路、电池电压监测电路、升压电路、降压电路以及短路保护电路这几个部分组成。设计目标是使该装置能在任何场地都可正常为外接负载提供5V或者12V电压。当有交流电供电时，可输出所需的电压并为自带的锂电池充电。在无电源供电时，它可切换成锂电池供电，该双路电源具有很强的实用性。本论文重点介绍了使用Protel 99 SE软件制作电路原理图及印制电路板的具体步骤。本论文的主要成果包括：设计的该电源装置具有两路供电电路，一路直接采用AC/DC将交流电转换成直流电压；另一路用2串2并的锂电池供电。除此，两路电源使用继电器进行切换。MAX1873R可为锂电池充电，并采用TL431来监测锂电池的状态。LM2587将锂电池的输出电压从78.4V升至12V，而LM2596将切换后的12V 电压降压至5V。在5V和12V输出之前都使用继电器进行短路保护。关键词：双路电源；充电；锂电池；升压；降压AbstractThisprojectdesignedanAutomaticSwitchDeviceforDoublePowerSupplywhichiscomposedofseveralpartsoftheswitchingandchargingcircuit,batteryvoltagemonitoringcircuit,boostcircuit,buck circuit andshort-circuitprotectioncircuit.Thetargetofthedesignmentisthatthedevicecanpovidevoltageof5Vor12Vforexternalloadsunderanycircumstances.WhenACpower,itcanoutputthenecessaryvoltageandchargethebuilt-inlithium-ionbattery.Ifthereisnopo-wersupply,itcanswitchintoalithium-ionbatterytosupplypower.Thedualpo-wersupplyhasstrongpracticability.Thispapermainlydescribestheprocedurestomakecircuitschematicdiagra-msandprintedcircuitboardsbasedonthesoftwareofProtel99SE.Themainac-hievementsofthisprojectareasfollows.Thedevicehastwopowersupplycircu-its,oneofwhichconvertestheACpowerintoDCpowerdirectly,andtheothersupplypowerwithtwoseriesandtwoparallelcircuits.Apartfromthis,thetwowaycircuitsbothusetherelaytoswitch.ThedeviceusesthechipofMAX1873Rtosupplypowerforlithiumbattery,andmonitorsthestatusofthelithiumbatterywiththechipofTL431.LM2587risestheoutputvoltageoflithiumbatteryfrom78.4Vto12V,andLM2596dropstheswitchedvoltagefrom12Vto5V.TheRelayisusedforshortcircuitprotectionbeforeitoutputsthevoltageof5Vand12V.Key words： Double power;change;Li+battery;boost;buck目录第一章 绪论11.1 引言11.2 选题背景与意义11.3 研究现状31.4 论文主要研究内容31.5 主要章节安排3第二章 开关电源42.1 概述42.2 开关电源的工作原理42.2.1 开关电源的电路结构42.2.2 工作原理62.3 开关电源的分类7第三章 Protel 99 SE83.1 概述83.2 Protel版本的发展演变83.3 Protel 99 SE的组成83.3.1 电路工程设计部分93.3.2 电路仿真与PLD部分10第四章 总体设计114.1 方案一114.2 方案二124.3 比较13第五章 各单元设计145.1 AC-DC单元145.1.1 概述145.1.2 NES-35-12145.2 充电单元165.2.1 MAX1873介绍165.2.2 基于MAX1873R的充电电路设计245.2.3 基于MAX1873R的充电电路图265.3 电池电压监测单元265.3.1 TL431介绍265.3.2 监测单元设计电路原理图275.3.3 工作原理275.4 8.4V-12V升压295.4.1 Boost升压电路295.4.2 LM2587介绍305.4.3 基于LM2587的升压电路设计345.5 切换单元365.5.1 方案一 继电器切换365.5.2 方案二 二极管切换375.5.3 比较375.6 5V降压电路单元385.6.1 LM2596介绍385.6.2 基于LM2596的降压电路设计415.6.3 基于LM2596的降压电路原理图435.7 短路保护单元435.7.1 12V短路保护电路435.7.2 5V短路保护电路445.8 总体设计电路图455.9 元件清单45第六章 调试与测量466.1 电路的调试466.2 测量电路476.2.1 充电波形476.2.2 充电电流486.2.3 参考电压486.2.4 引脚电压的测量496.2.5 充电电流变化情况496.2.6 滤波前与滤波后的纹波与噪声(频率：100kHz)50第七章 制作印制电路版51第八章 总结与展望52致谢53参考文献54附录A 总体设计电路图55附录B 元件清单56南京工程学院毕业设计说明书（论文）第一章 绪论1.1 引言电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。它有如人体的心脏，是所有电设备的动力。而开关电源（Switching Power Supply）是一种新型电源设备，较之传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、体积小、功率密度大、工作效率高、使用方便，并取得了较好的经济效益，在人们的工作和生活中得到了广泛的应用。据了解，目前工作效率、待机损耗和功率因数是在开关电源的设计、生产和使用过程中需要引起的重要问题。一方面是节能的要求，另一方面是是开关电源可靠工作、提高开关电源抗干扰能力和改善开关电源对外干扰的要求。开关电源的主要组成部分有DC/DC变换器、驱动器、信号源、比较放大器，还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。此次所设计的自动切换双路电源具有广泛的应用。它将交流电源转化为直流电源。在有主电源供电情况下，可以通过此电源直接将交流电源转化为直流电源，同时对锂电池进行充电；在无交流电时（停电情况下），即主电源断开时，自动切换为锂电池供电，通过切换电路来实现。当电池电量低时给予提示并关掉供电设备，通电时可以通过充电电路来实现对电池的充电。要实现这些功能，就需要有双路电源的切换装置。这种装置有很多种，包括自动切换系统、静态切换开关等等。大多数都是是自动切换的，也能手动切换，就是人工切换。人工切换可能需要很长的时间，因此用电器可能会停电很长时间。因此，大多数情况都是采用自动切换。伴随着社会经济的不断发展以及人们的生活水平的不断提高，任何的电器和电气设备要正常的工作都离不开电源的供电。自动切换双路电源将会在更多的领域得到广泛的应用。1.2 选题背景与意义1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。 其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。 而自动切换双路电源的历史悠久，在将电作为主要能源后，由于对重要负载的供电存在不同电源间的转换问题，以及在应对任何场合的使用问题，自动切换双路电源必然会得到广泛的应用。但由于自动切换双路电源需求量有限，以往并未把自动切换双路电源作为一种独立的或者说是某一种特定的大类产品来看待。以往的自动切换双路电源一般都是由设计院设计、电气成套企业或用户直接用接触器、继电器、刀开关或由断路器、机械联锁、控制器构成双电源转换系统。伴随各种用户或用电系统对提高自动化程度的需求和新技术的应用，自动切换双路电源逐渐得到发展和应用。1.3 研究现状目前多数的供电都采用220V交流电源经降压、整流变换成低压直流对系统进行供电。在大多数场合，这种供电方式基本能够满足实际应用的要求。但是有许多系统在野外工作，此时的交流电源无法保证，为了保证系统的正常运行，必须采用电池进行备用电源供电。两种电源的供电，通过切换电路实现自动切换功能。1.4 论文主要研究内容本论文涉及了采用AC/DC进行交流/直流的转化，采用MAX1873R对锂电池充电，采用TL431进行电池电压的监测，采用LM2587-ADJ和LM2596实现电压的升压和降压，采用继电器进行切换和短路保护等方面的内容，主要有以下几个方面：一方面我们在了解MAX1873、TL431、LM2587和LM2596等的基础知识上，先分析MAX1873的典型应用电路。再根据设计要求完成对对2串2并的锂电池进行充电的设计，并根据TL431完成电池电压的监测设计，使电池能在充完电后给予提示并停止充电。 另一方面，需利用LM2587对锂电池输出的8.4V电压进行升压至12V，并与主电源输出的12V一起连接到继电器，通过继电器进行切换。从继电器输出的12V电压需要经过LM2596降压成5V输出。 最后，就全文的成果加以总结，讨论自动切换双路电源中遇到的若干难题及对进一步研究的展望。1.5 主要章节安排首先就课题研究的背景和意义做出说明。第二章主要介绍了开关电源的内容。第三章主要介绍了protel99se软件的一些应用。第四章主要介绍了总体设计方案，并通过方案的比较选出最优方案。第五章对各单元的设计一一给出详细的说明，包括AC-DC单元、充电单元、电池电压监测单元、升压单元、切换单元、降压单元和短路保护单元。第六章对设计电路进行调试，并记录测量数据。第七章对设计电路进行制版。最后给出结论并对课题未来的发展做出了展望。第二章 开关电源2.1 概述电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。它有如人体的心脏，是所有电设备的动力。在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防、教育等领域的迅速发展，对电源产业提出了更多、更高的要求，如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这迫使电源工作者在电源研发过程中不断地索求，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源（Switching Power Supply）是一种新型电源设备，较之传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、体积小、功率密度大、工作效率高、使用方便，并取得了较好的经济效益，在人们的工作和生活中得到了广泛的应用。开关电源的主要组成部分有DC/DC变换器、驱动器、信号源、比较放大器，还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号、PFM（Pulse frequency modulation，脉冲频率调制）信号或其他信号；比较放大电路对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。开关电源的主电路是核心电路。根据电路是否具备电能回馈能力、输出端与输入端师傅电气隔离以及电路的结构形式等三个原则，可以将开关电源主电路分成非回馈型和回馈型两大类。非回馈型又可分为非隔离型和隔离型。非隔离型包括降压（Buck）型、升压（Boost）型、升降压（Buck-Boost）型、Cuk型、Sepic型、Zeta型；隔离型包括正激型，反激型、半桥型、全桥型、推挽型。回馈型也可分为非隔离型和隔离型，非隔离型包括二象限型和四象限型。2.2 开关电源的工作原理2.2.1 开关电源的电路结构开关电源是进行交流/直流（AC/DC）、直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）功率变换的装置，通过对主变换回路和控制回路的控制完成变换。主变换回路将输入的交流电变换后传递给负载，它决定开关电源电路的结构形式、变换要求和负载能力等技术指标；控制回路按输入、输出技术指标的要求来检测、控制主变换回路的工作状态。开关电源集成控制电路就是将控制回路集成化的集成电路。 一般开关电源控制集成电路包括振荡器、误差放大器、PWM触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护功能电路。所谓AC/DC变换就是交流/直流变换；AC/AC变换称为交流/交流变换，即为改变电源的频率；DC/AC变换称为逆变；DC/DC变换为直流电变成交流电后再将交流电变为直流电。自20世纪60年代研发出来二极管、三极管半导体器件后，人们就开始利用半导体器件进行变换。所以，凡是利用半导体器件做开关，将一种电源形态变换成另一种电源形态的电路，称为开关电源变换电路。在电源变换时，采用开关变换技术，利用自动控制技术来稳定输出，并加有各种保护控制电路的电源开关变换电路，称为开关电源。 在开关电源的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变压器，常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。其工作原理框图如图2.1所示。第一部分电路是交流电供电输入电路，包括低通滤波电路和一次整流电路。220V交流电经低通滤波电路和整流电路整流后，输出没有稳压的直流电压Vi，直流电压Vi送到第二部分电路进行功率因数校正，以提高开关电源的功率因数。功率因数校正电路的具体实现方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正是指开关电源在功率因数校正过程中，采用如三极管和集成电路等有源器件来实现功率因数校正功能的电路。由于有源功率因数校正具有功率因数校正特性好的优点，在开关电源电路中得到了广泛的应用。第三部分电路是功率变换，功率变换是通过高频电子开关电路和高频脉冲变压器来实现，把经过功率因数校正输出的直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频脉冲电压。第四部分电路是输出电路，用于将高频脉冲电压经整理滤波后输出所需的直流电压。第五部分电路是驱动控制电路，输出直流电压经分压、采样后与开关电源电路的基准电压进行比较、放大，从而输出相应的误差控制来稳定输出直流电压。第六部分电路是振荡信号产生电路，由他产生高频振荡信号，该高频振荡信号与控制信号叠加，从而实现输出稳压控制，实现高频电源变换。图2.1 开关电源的工作原理框图 2.2.2 工作原理开关电源是通过对输入的直流电进行高频开关变换，来实现输出电压变换和输出直流电压器的控制目的，其工作原理如图2.2所示。图2.2 开关电源的工作原理图从图 （a）可以看出，未经稳压输入交流电输入整流电路后输出的直流电压Vi经过高频开关变换后输出高频脉冲波，高频脉冲波的周期为T，脉冲宽度为Ton，这个高频脉冲波经滤波电路滤波后输出如图 （b）所示的直流电压Vo，输出的直流电压Vo可以用式（2-1）计算，可见当输入直流电压Vi发生变化时，改变的比值，使与Vi的乘积保持不变，就可以使输出直流电压保持不变，从而实现输出直流电压稳压的控制目的。（2-1）在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间Ton与一个电子开关周期T所占的时间比，称为脉冲占空比（D），开关周期是开关频率的倒数。脉冲占空比（D）越大，输出直流电压Vo越高。提高开关频率对实现开关电源高频变压器的小型化很有帮助，但是提高开关工作频率，使开关电源中的开关功率管、高频变压器、控制集成电路，以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。对不同的变换器形式，可用的脉冲占空比不同。在实用中，根据改变脉冲占空比D的实现方式不同，开关电源有PWM（脉冲宽度调制），PFM（脉冲频率调制）和PFM/PWM（脉冲调频、调宽）实现方式。在PWM实现方式中，利用开关频率不变，改变开关工作导通时间Ton的方法来改变脉冲占空比D，从而实现输出直流电压稳压的目的。而在PFM工作方式中，利用保持开关工作导通时间Ton不变，改变脉冲开关工作频率（周期）的方法来改变脉冲占空比D，从而实现输出直流电压稳压的目的。而在PFM/PWM实现方式中，利用既改变脉冲开关导通时间Ton，又改变脉冲开关工作频率（周期）的方法来改变脉冲占空比D，从而实现输出直流电压稳压的目的。2.3 开关电源的分类1、按开关电路单开关、双开关拓扑分为单开关拓扑和双开关拓扑。2、按输出电压的控制方式分为脉冲宽度（PWM）方式，脉冲频率（PFW）方式，脉冲调频、调宽（PFM/PWM）方式和调压方式。3、按开关电源的激励方式分为自激式开关电源和他激式开关电源。4、按功率开关管的连接方式分为单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥式和全桥式等电路拓扑。5、按调整管工作方式分为线性直流稳压电源和开关直流稳压电源。其中开关直流稳压电源又分为AC/DC电源、DC/DC电源、通信电源、电台电源、模块电源、特种电源和数字电源。6、按谐振工作方式分为串联谐振、并联谐振、串/并联谐振等开关变换电路。7、按开关电源的供电方式分为电流型变换开关电源和电压型变换开关电源。第三章 Protel 99 SE3.1 概述可靠的印制电路板是电子电路设计的最终载体。电子设计工程师完成了电路功能设计后，便需要将其转化为清晰明了的电路原理图和工作可靠地印制电路板。随着电子技术的快速发展，电路设计越来越复杂，高效的电路板设计软件是电子设计人员的必备工具。目前，有多家厂商提供此类设计软件。其中，Protel以其友好的Windows操作界面、简单易学和功能强大等优点而得到广大用户的青睐，在电子设计领域应用十分普遍。3.2 Protel版本的发展演变Protel是一款高效的EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）设计软件，其主要用于电路的原理图设计、电路仿真及印制电路板（PCB）设计。Protel时目前EDA行业中使用最方便、操作最快捷、界面最友好的开发工具。Protel系列产品是澳大利亚Protel公司开发的大型电子线路设计软件。1988年，美国ACCEL公司推出用于电子辅助设计的TANGO软件，随后被Protel公司收购，成为Protel系列产品的前身。1999年，Protel公司推出了Protel 99软件，构成了从电路设计到电路板分析的完整体系。2000年，Protel公司推出了Protel 99 SE软件，性能进一步提高。Protel 99 SE提供了更高的设计流程自动化程度，进一步集成了各种设计工具，并引进了“设计浏览器”平台。2002年，Protel公司改名为Altium公司，推出了Protel DXP软件，其中集成了更多工具，使用更方便，功能更强大。2003年，Altium公司推出了Protel 2004软件，对Protel DXP进一步完善。Protel系列软件把所有核心EDA软件工具集中到一个集成软件包中，从而可以实现从设计概念直到生产的无缝集成。目前，Protel 99 SE以体积小、占用系统资源少、功能强大及界面友好等优点，成为使用最为广泛的Protel版本。3.3 Protel 99 SE的组成Protel 99 SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源地层和16个机加工层。按照系统功能来划分，Protel 99 SE主要包含以下2大部分和6个功能模块。 3.3.1 电路工程设计部分1、电路原理图设计系统（Advanced Schematic 99）图3.1 电路原理图设计系统电路原理图设计系统包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图元件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器，如图3.1所示。主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图，更新和修改电路图元件库，查看和编辑有关电路图和元件库的各种报表。 2、印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、元件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。主要功能是：绘制、修改和编辑印制电路板，更新和修改元件封装，管理电路板组件等，如图3.2所示。 3、自动布线系统（Advanced Route 99）自动布线系统与印制电路板设计系统紧密结合，其包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。 图3.2 印制电路板设计系统3.3.2 电路仿真与PLD部分1、电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）电路模拟仿真系统与电路原理图设计系统紧密结合，其包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。 2、可编程逻辑设计系统（Advanced PLD 99）可编程逻辑设计系统包含一个波形编辑器（Waveform）和一个带有语法功能的文本编辑器。主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合，仿真逻辑信号的波形。利用可编程逻辑设计系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。 3、高级信号完整性分析系统（Advanced Integrity 99）高级信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计，检查电路设计参数、实验超调量、阻抗匹配和信号谐波要求等。利用高级信号完整性分析系统，可以在PCB制作之前了解电路板的缺陷并及时解决，这样就大大简化了PCB电路板的设计调试过程。 第四章 总体设计4.1 方案一根据设计内容中的设计指标：输出电压12V和5V，输出电流2A，则可以计算出最大输出功率为24W。方案一的总体设计原理框图如图4.1所示。其中选择AC-DC时，其要求的最大输出功率应大于24W。可以选择广州明纬生产的AC-DC，型号为NES-35-12，最大输出功率为35W，输出电压为12V，额定电流为3A。满足设计指标。在AC-DC之后应有两路电源，一路为主电源，可以直接输出12V；一路为辅助电源，在主电源断开时，可以输出12V。主辅电源间的切换可以采用继电器来切换。常开开关接主电源。在主电源没有接入时，如果辅助电源开关按下，则自动切换为辅助电源输出。辅助电源采用锂电池供电，根据最大输出功率24W，可以选择两串两并的锂电池，其提供的最大电压为8.4V，最大电流为4400mA。计算可得出最大功率约为40W，大于24W，满足设计指标要求。由此可选择MAX1873R。图4.1 方案一的总体设计原理框图因为充电后电压最大电压为8.4V，而输出电压则需要12V。因此需要升压电路，可选用LM2587-ADJ，自主调试到12V。因为需要输出12V或5V两路电压，因此需要降压电路，可选用LM2596-5V。根据设计内容，最后还可以加上短路保护电路，用以保护所设计的自动切换双路电源。短路保护电路也可以选用继电器来保护。4.2 方案二根据设计内容中的设计指标：输出电压12V和5V，输出电流2A，则可以计算出最大输出功率为24W。总体设计方案二的原理框图如图4.2所示。其中选择AC-DC时，同方案一，选择广州明纬生产的AC-DC，型号为NES-35-12，最大输出功率为35W，输出电压为12V，额定电流为3A。满足设计指标。在AC-DC之后有两路电源，一路为主电源，可以直接输出12V，同方案一；另一路为辅助电源，在主电源断开时，输出12.6V。主辅电源间的切换可以采用继电器来切换。常开开关接主电源。在主电源没有接入时，如果辅助电源开关按下，则自动切换为辅助电源输出。图4.2 方案二的总体设计原理框图不同之处在于根据最大输出功率24W，可以选择3串的锂电池供电。其提供的最大电压为12.6V，最大电流为2200mA。计算可得出最大功率约为27.7W，大于24W，满足设计指标要求。由此可选择MAX1873S。因为充电后电压最大电压为12.6V，而AC/DC输出的电压为12V，小于充电电压，无法对电池进行充电。因此在充电电路需要加上升压电路，可选用LM2587-ADJ，自主调试到12.6V以上，可以为15V。因为需要输出12V和5V两路电压，因此需在切换电路之后加上降压电路，可选用LM2596-5V。根据设计内容，最后还可以加上短路保护电路，用以保护所设计的自动切换双路电源。短路保护电路也可以选用继电器来保护。4.3 比较对比两个方案，选择方案一时，由于有电池电压检测电路，电池输出78.4V电压。只要在电池有电情况下，即电池电压在78.4V之间时，都可经过升压电路升压至12V，不会因为电池电压不足时，而降低电压输出。 选择方案二时，充满电时，输出电压为12.6V；而电池电压不足时，输出电压可能低于12V。即此方案输出电压不稳定，输出电压不能一直维持在12V左右。综上所述，采用方案一的设计方案更优。第五章 各单元设计5.1 AC-DC单元5.1.1 概述 AC/DC（Alternating Current/ Direct Current）即为将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。5.1.2 NES-35-12明纬企业股份有限公司成立于公元1982 年，有20余年在电源领域研发、制造的经验，为台湾交换式电源供应器的领导品牌制造商之一，并于公元1994 年取得 ISO-9001认证。其产品线包含交流/直流交换式电源供应器、直流/直流转换器、直流/交流变流器与电池充电器。明纬目前拥有超过4000种标准机型，产品广泛应地用于工业自动化、LED照明、广告牌电子、电子、通讯、信息、医疗等产业。35W单组输出开关电源是其众多产品之一，在此设计中我选用的型号是NES-35-12，实物图如图5.1所示。由于此设计的设计指标是输出电压12V和5V，输出电流2A。所以最大输出功率是24W。选择AC/DC时，就必须选择输出功率在24W以上、直流电压为12V左右可调、最大额定电流大于2A的AC/DC。根据图5.2所示的NES-35系列的电气规格可以看出：NES-35-12的直流电压为12V，调整范围是10.813.2V；额定电流为3A，范围是03A；额定功率为36W。完全满足设计要求，因此选择NES-35-12。图5.1 NES-35-12实物图图5.2 NES-35系列电气规格图其中NES-35-12的内部方框图如图5.3所示。图5.3 内部方框图5.2 充电单元5.2.1 MAX1873介绍一、概述MAX1873是MAXIM公司生产的廉价的多节锂离子电池充电控制芯片，其相应R、S、T后缀的型号可分别实现2节、3节或者4节串联的锂离子电池组的高达4A以上的快速充电。利用300kHz的PWM输出信号控制实现一个可调整的充电电流，以及0.75%的锂电池充电截止电压控制精度。MAX1873通过电流和电压2个控制循环实现对电池电压和充电电流的平滑切换控制，并通过另外一个控制循环实现对输入源的电流调节，16脚的QSOP封装使得整个充电控制电路结构简单，是一款高性价比的锂电池充电控制芯片。芯片可独立完成充电器控制，亦可在单片机控制下完成锂电池的充电控制。该芯片同时也可以对镍锰、镍镉电池进行充电控制。二、特点1、低成本和简单的电路 2、给2、3、4节串联锂电池充电 3、有AC适配器输入电流限制回路4、也可以用于镍基电池充电 5、模拟输出监控充电电流 6、0.75%电池电压调节7、5A关断电池电流 8、高达28V的输入电压 9、200mV压差/100%占空比 10、可调节充电电流 11、300kHz PWM振荡器以减少噪声 12、节省空间的16引脚QSOP封装 13、MAX1873评估板可以加快设计三、应用与使用1、笔记本电脑2、便携式网络片3、2 节、3 节或4节锂离子电池充电器4、6 节、9 节和10节镍电池充电器5、手持式仪表6、便携式桌面助理（PDA）7、台式插座充电器四、详细说明图5.4 典型应用电路MAX1873包括所有必要的功能，对2 节、3 节或4节串联锂离子（锂离子）电池组充电。它包括一个高效率的DC-DC降压转换器，控制充电电压和电流。它还可以限制输入端电流，因此AC适配器提供的小于系统总电流，充电电流可以不用担心超载。1、稳压器锂离子电池充电时，需要高精度的电压限制。名义上的电池调节电压设置到每节电池4.2V，并且可以通过设置REF和地面之间的VADJ的电压。限制稳压电压调节范围，同时使用1的电阻，保持整体电压精度优于0.75。内部误差放大器电压调节保持在0.75以内。该放大器补偿CCV（见图5.4）。单个补偿的电压调节和电流调节环路允许最优补偿。一个典型的CCV补偿网络如图5.4所示，这将足以满足大多数设计。2、充电电流调节器充电电流调节器限制了电池充电电流。电阻和BATT与CSB之间有连接时，电流检测感应到电流（图5.4，RCSB）。ICHG/ EN上的电压也可以调节充电电流。通过ICHG/ EN连接到REF，可得到最大充电电流（ICHG=0.2V/ RCSB）。充电电流误差放大器补偿CCI（图5.4）。从CCI至GND的47nF的电容器，为大多数应用提供合适的性能。3、输入电流稳压器当输入电流达到设定的输入电流限制时，输入电流调节器通过降低充电电流来限制源电流。在一个典型的便携设计中，作为系统的部分供电或置于睡眠状态时，系统负载电流通常会出现波动。如果没有输入电流调节，输入端必须要提供系统的最大电流加上最大的充电器的输入电流。MAX1873的输入电流回路能确保系统始终得到充足的电力，减少充电电流需求。通过输入电流限制器，AC适配器的大小和成本可以降低。通过CSSP与CSSN之间的外部检测电阻RCSS，测量输入电流。连接CSSP与CSSN，可能会传递输入电流限制功能。采用CCS补偿输入电流误差放大器。从CCS至GND的47nF电容，为大多数应用提供合适的性能。4、PWM控制器一个恒定的300kHz的脉冲宽度调制（PWM）控制器驱动外部MOSFET来调节充电电流和电压，同时保持低噪音。PWM控制器接收到CCI，CCV和CCS误差放大器的输入。这三个最低的信号驱动PWM控制器。内部钳位限制200mV控制信号之间的少数信号，以防止电池电压控制、充电电流和输入电流调节环路之间的切换时的延迟。5、关闭当ICHG/ EN上拉低电平（0.5V以下）时，MAX1873停止充电，以及DCIN的电压低于BATT（电池）的电压时关机。关机时，内部电阻分压器从BATT断开以减少电池消耗。当AC适配器电源被移走，或部分关闭时，MAX1873通常从电池引入1.5A。6、源欠压关断（降）DCIN电压和BATT（电池）电压相比。 当DCIN的电压下降到低于BATT +50mV时，充电器关闭，当输入信号源不存在或者低于电池电压时，防止电池漏电。二极管通常是连接输入端和充电器输入端的。这个二极管以防电池通过高边MOSFET的体二极管放电，应该输入短路到GND。它还保护充电器、电池和反极性的适配器和负输入电压的系统。7、充电电流监视器输出IOUT为与实际充电电流成正比的模拟电压输出。在微控制器的帮助下，IOUT信号可以促进气体计量，表示充电百分比，或充电剩余时间。输出的公式是：其中VCSB和VBATT是CSB和BATT引脚的电压，且ICHG是充电电流。IOUT可以驱动5nF负载电容。五、工作原理MAX1873的内部结构如图5.5所示，他对锂电池的充电管理通过3个控制循环进行控制。1、锂电池电压的监测锂电池的充电截止电压需要精确控制，如果电池被过充，锂电池性能将大大下降。锂电池型号不同，充电截止电压也不同。通过设定VADJ引脚的电压值，可以在4.2V5.25%的范围内微调充电截止电压，VADJ 引脚的电压值在VREF和GND之间：（5-2-1）其中VBATT是所需的电池调节电压（总系列电池堆），N是锂电池的数量，VREF是参考电压且VREF = 4.2V， 若单体锂电池的充电截止电压为4.2V，则VADJ 设为2.1V， 即，可通过REF和GND两引脚分压得到。选择R1设置VADJ。应选择R1使总电阻分压器（R1+ R2）接近200K。 然后R2可以计算如下：（5-2-2）在VADJ全范围内（从0到VREF），导致电池调节限制为5.263（3.979V4.421V），电阻分压器的精度不一定和输出电压的精度一样严格。使用1的电阻分压器可提供0.75电池电压可调精度。图5.5 MAX1873功能结构框图2、充电电流控制充电电流通过两种方式共同控制，连接BATT和CSB引脚之间的电阻RCSB和ICHG/ EN引脚的电压。充电电流的大小：（5-2-3）当ICHG/ EN引脚和REF引脚直接相联，即时，（5-2-4）3、输入源电流控制该芯片可协调锂电池充电电流和系统供电电流。当系统供电电流较大时，可通过缩减锂电池的充电电流，而使得整个系统的输入源电流保持在一定水平，这样的设计可缩小输入源的设计尺寸。输入源电流的大小可通过连接在CSSP和CSSN两引脚间的电阻RCSS来设定。输入源电流公式：（5-2-5）为防止超载，此限制通常设置为输入电源的额定电流或AC适配器，用以保护输入端超载。如果没有用到输入端电流限制功能，CSSP和CSSN至DCIN短路。4、电感的选择越大的电感，就产生越低的纹波电流。然而，由于物理大小保持不变，较大的电感值通常会导致较高的电感串联阻抗和较低的电感饱和电流。通常情况下，选择像纹波电流大约为30至50的DC平均充电电流是一个很好的权衡。纹波电流到DC充电电流（LIR）的比，可以用来计算电感值：（5-2-6）其中，fSW为开关频率（通常为300kHz），ICHG是充电电流。电感峰值电流计算如下： （5-2-7）假设4节电池的充电电流为3A，VDCIN（最大值）为24V，和LIR为0.5，在峰值电流为3.75A时，L计算得到11. 2H。因此10H的电感是理想的。5、MOSFET的选择MAX1873使用P沟道功率MOSFET开关。MOSFET必须选择可以满足充电电路的效率或功耗要求以及MOSFET的最高温度。特点是影响MOSFET功耗的是漏源电阻（RDS（on）和栅极电荷。一般来说，这些是成反比的。为了确定MOSFET功耗，必须先计算占空比。当充电器充到更高的电流时，电感电流将是连续的（电感电流不会降至0）。在这种情况下，高边带MOSFET的占空比（D）的近似方程为：（5-2-8）二极管占空比（D）是1 - D或：（5-2-9）VBATT是电池调节电压（通常每节电池4.2V），VDCIN是输入端电压。对于MOSFET来说，当工 作条件为最低源电压和最大的电池电压时，最坏情况下的功耗是在最大占空比时由电阻（PR）产生。PR近似公式为：（5-2-10）过渡亏损（PT）可以近似为下式：（5-2-11）tTR是MOSFET的过渡时间，fSW为开关频率。MOSFET的总功耗是：（5-2-12）根据上述公式，查找资料，可以选择AO4435型号的MOSFET。因为AO4435允许通过的电流很大，而充电电流大概在1A左右，完全满足要求。6、二极管的选择肖特基二极管的额定电流至少是充电电流限制，它必须从MOSFET的漏极连接到GND。二极管的额定电压必须超过预期的最大输入电压。查找资料，可以选择SK34 。因为SK34的额定电流为3A，额定电压为40V，完全满足要求。7、电容的选择输入电容的旁路开关电流从充电器输入，并阻止电流通过源循环，通常是一个AC墙立方体。因此，输入电容必须能够处理输入RMS电流。在较高充电电流下，转换器通常会工作在连续导通状态。在这种情况下，输入电容的RMS电流可以近似为方程：（5-2-13）其中ICIN是输入电容RMS的电流，D是PWM变换器的占空比（通常时VBATT/VDCIN），且ICHG是电池充电电流。最大RMS输入电流发生在占空比为50时，因此最坏情况下的输入纹波电流是0.5ICHG。如果输入输出电压比是这样的，PWM控制器绝不会工作在50占空比，然后将出现的最坏情况是电容电流占空比最接近50。 输入电容的阻抗是阻止AC电流回流到墙立方体的关键。这一要求的变化依赖于墙立方体的阻抗以及必须满足任何进行或辐射的EMI的要求。