DC-DC数控开关电源「第二届立创商城电子制作节30强作品」

本作品为第二届立创商城电子制作节30强入围作品，作者立创社区ID：撸斯基S；转载请注明出处，未经允许不得用作商业用途。作品原链接：http://club.szlcsc.com/article/details_5309_1.html。

一、作品简介

1.外观、结构设计

简约的操作面板，只用一个编码器即可调节输出参数。

2.实物照片

3.制作过程照片

*.搭电路验证原理

刚开始打算自己用运放搭开关电路，可以简化电路，但是想了几种方法都有问题，碰了几次壁后还是老老实实采用现成的开关芯片。

*.电路焊接

照片是第一版电路的焊接、调试过程，因为稳定性问题，最终作品用的是第二版电路，调节过程相同。

*.散热片制作

*.屏蔽罩制作

直接用3D展开按1:1打印，贴在不锈钢板上，用工具刀沿黑边切出轮廓，再折边。

*.面板制作

都是diy，所以面板没有填油墨。

*.装配

4.1研究背景和市场前景

市场上看不到低价的数控开关电源，100W的数控开关电源最少都要500块，种类也很少，而本作品的制作材料成本不足150元（包含邮费、不计PCB打样），应该有较好的市场前景吧。不过这里只是个人制作爱好，手头有什么元件就用什么元件，所以布板比较混乱，贴片和插件混合排布，要做成产品的话还需优化。

4.2目的和功能

可用于无刷电机、双供电功放等大电流元器件的调试。具备过载保护、温度保护功能。

4.3性能指标：

输出电压：2路电压分别输出2.6~15.4V、-2.6~-15.4V

输出功率：5-100W（可调）

输出电流：5A以上（受输出功率限制）

电压步进：约0.04V/格（可通过软件改变步进大小）

电压读数精度：0.1V

电流读数进度：0.01A

电压波纹：没工具测量，对比淘宝买的XL4015模块，效果比其好一些。可调电源波纹值与输出电压、电流、反馈电路增益相关。

5.作品创新性

*.简约式的面板设计，一个编码器实现所有操作。

一般可调电源每路输出都有一个粗调旋钮、一个精调旋钮、一个切换开关。而作品这开关电源只需一个编码器就能调节两路输出电压和相关参数，提高了产品逼格（像编码器调节的功放价格通常要比变阻器调节的贵很多）。这种简单的电子设备，假如是做产品的话，软件成本的投入是一时的，硬件材料的投入却是贯穿整个生产过程的。产品缩减一个按键、一个旋钮，长久算起来就能节省很多钱了。要是老板应该会喜欢这种设计，当然年纪较大的人就可能不喜欢这种设计。

*.UC2842采用运放作为电压反馈的形式控制输出电压。

电压反馈控制的形式比较直观，但是很少人使用，主要是因为它的布板比较麻烦，大多人采用电流反馈法。UC2842有很多成熟方案，主要用光耦和TL431组成反馈电路，这样做可以隔离输入和输出，但是这里采用环牛变压器已经对市电输入做了隔离，反馈电路就不用做隔离了，电路可以简化。

*.用正压开关电源IC控制负电压输出。

作品中负电压输出中的开关芯片U18采用了所述方法，既简化了MPU到U18的控制电路，又能大大提高开关电源电路的响应速度。

实现正负两路出的方法有很多种，比如加电荷泵、变压器出正负、独立两路电源首位相接，以及他们衍生出来的电路。电荷泵有较多缺点，电荷泵启动电流大、对输入电源要求高，输出电压范有限、转换效率较低，所以不适合这里的应用，当然不是电荷泵差，它有它的应用范围；变压器出正负输出，正负两路电压不能分别调节，用两个变压器则增加电路体积和成本；独立两路电源首尾相接的话，用一个单片机控制也很麻烦，所以没有采用。

*.用环牛降压隔离市电，再整流，DC-DC转换，解决一般开关电源容易漏电，产生静电的问题。

像电脑、工控设备的开关电源，漏电和静电一直是个比较坑爹的问题，人偶尔电到还能提提神，要是人刚好是拿着电子产品怼上去被电，电子产品就可能烧掉了。不过相对同等功率的开关电源会有电源体积大、成本高的问题，但这是较有效解决了漏电、静电的方法。

*.输出电压值的控制采用骗反馈的方式。

用LM2575、X4145、UC2842这类开关电源芯片如果想改变输出电压值，通常采用的办法是改变IC电压反馈引脚在输出电压中的相对位置来实现。想用单片机控制这类开关电源的输出还是比较难考虑的，通过抬高/降低采样电压的参考0点是最容易想到的一种方法，网上也有完整的方案，我最开始也想到这种方法，但是搭电路测试的时候发现这种电路的输出噪声很大（接喇叭），低压输出时容易失控，估计是抬高/降低采样电压的参考0点让IC增益倍数下降导致的，不同的输出电压加不同的耦合电容可以解决，但是这样电路设计就很麻烦了；而我采用的方法是直接用输出电压-控制电压>反馈给IC，这方法跟抬高/降低采样电压的参考0点的方法是反其道而行了（区别是运放±输入端的接线对调）。 

二、系统构架图

蓝色为输入接口，红色为输出接口！USB是预留的二次开发接口。

三、硬件部分的描述

1.原理图：

DC-DCv2-原理图下载：http://club.szlcsc.com/article/downFile_7B2EF63ADEC132B5.html 

 PCB的长宽115*100mm，为了适配铝盒的结构，元件排布比较紧凑。

2.原理说明：

数字电路部分和±5V、±20都是常用电路，这里不做说明。这个电路布板合理的话会很稳定，即使不接假负载，输出电压也不会失控。

本作品调压的原理基于下图，UC3842采用电压反馈的形式控制输出电压，R4、R5分压后反馈给UC3842决定Vout。

基于以上电路，增加可用于数字电路控制的运算电路，如下图。

基于以上电路进行优化，mos管的驱动增加了快速关断电路，可增加电源效率，如下图。

四、材料清单

主要器件如下：

ST(意法半导体)/STM32F103C8T6 托盘：http://www.szlcsc.com/product/details_9243.html

Micro USB 母座 5P 全贴有柱 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_22094.html

线性稳压/L7905CV-DG 厚片 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_4201.html

线性稳压/L7805CV-DG厚散热片 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_4197.html

开关电源芯片/UC3843B 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_5598.html

通用运放/LM358S 编带：http://www.szlcsc.com/product/details_85069.html

MOS(场效应管)/IRF9540NPBF 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_2952.html

MOS(场效应管)/IRF540NPBF 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_2943.html

EEPROM/AT24C02D-SSHM-T 编带：http://www.szlcsc.com/product/details_35778.html

USB/CH340G 管装：http://www.szlcsc.com/product/details_14927.html

蜂鸣器/TMB12A12 袋装：http://www.szlcsc.com/product/details_97283.html

圆柱体晶振/32.768KHz 12.5PF 20ppm 袋装：http://www.szlcsc.com/product/details_94423.html

晶振49S/DIP HC-49S 8M 20pF 30ppm 80R -10~60℃ 袋装：http://www.szlcsc.com/product/details_94858.html

晶振49S/HC-49US 12MHZ 20PF 20PPM 袋装：http://www.szlcsc.com/product/details_17051.html

DC-DC芯片/XL4015E1 编带：http://www.szlcsc.com/product/details_52674.html

 温度传感器/DS18B20+ 袋装：http://www.szlcsc.com/product/details_10283.html

 低压差线性稳压(LDO)/LM1117MPX-3.3/NOPB 编带：http://www.szlcsc.com/product/details_10192.html

五、软件部分的描述

1.液晶界面设计、规划

屏幕上方标题轮流显示操作提示信息；温度显示采集自散热片；可设置参数有3个：过载、正电压、负电压，正负电压与操作面板的输出口相对应。

2.软件功能思路

a.界面显示可设置的过载功率、正输出电压、负输出电压；电压上方显示正负电压的输出电流；电流上方显示电流流向的示意动画；界面显示电压散热器的实时温度。

b.界面上方黑色标题栏轮番显示各种提示信息，内容和软件思路如下

*.《DC-DC数控开关电源》

*.电压单位V电流单位A

*.长按2秒输出默认±5V（长按编码器中键2s左右，正负2路输出变为±5V，过载80W）

*.长按4秒待机/点按开机（长按编码器中键4s以上10s以内，则电源进入待机状态，这时开关电源停止工作；在待机状态点击中键，则电源重新开机）

*.自动保存输出设置！（每次设置参数并且参数相对上次设置值有变化时，约4s后自动保存设置参数，同时闪现“SAVE”图标提示）

*.单击切换调节选项！（单击编码器中键可设置正负2路输出电压和过载功率，当前设置参数项下方会重复闪现箭头提示）

*过载单击恢复输出（当前输出功率>过载功率时，才显示此信息，MPU关闭开关电源输出，蜂鸣器报警。排除故障后，单击编码器中键可恢复电源输出

六、作品演示

七、总结

1. 数控开关电源的原理并不复杂，但是布线很有讲究，接地点的选择也非常重要。数字、模拟、信号、交直流、屏蔽各地需区分清楚，如果布线不合理，即使空载调试成功，一接负载噪声立马串上来，甚至电压失控。

2. 数控开关电源稳定性是个大问题，业余制作还好，想做成稳定的产品不大容易。主要有采样电路稳定性、基准电压稳定性、反馈电路速度三方面的问题。加屏蔽罩、数字模拟分开应该能比较有效的解决稳定性问题，但这样必然增加它的体积和成本，所以市场上看不到低价的数控开关电源，网上完整的没问题的电路也很少。

3. 电容的选择方面，开关电路用高频电解电容是比较有必要的，可以有效降低输出波纹；104瓷片也能用105独石代替，高频滤波效果差不多，但是104瓷片要比独石便宜很多。

4. 淘宝的元件虽然便宜，但有些元件不大可靠。像磁环电感，经常严重虚标，容易磁饱和，导致输出噪声大，想要符合要求的电感最好还是自己绕；国产LM358有可能25V就烧了，带宽也不足；L7905输入电压也跟pdf不符，需串联齐纳管分压。立创商城的元件虽然贵一点，但是质量有保证。