DIY數控可調電源

本次DIY電源分成兩期講解，第一期也就是本期，將會和大家一起完成數控電源的需求分析、方案設計、原理圖和PCB的設計；下期視頻會繼續分享數控電源的制作過程、程序設計和功能演示，對電源感興趣的小伙伴可以提前關注。

下面是第一期的重點內容整理：

在設計電源之前，我們需要先確定數控電源的設計需求。作為一臺電源，它的輸出的功率一定要足夠大，至少40V/10A起步不過分吧，這樣就可以帶得動功率相對較大的用電器。第二，體積要盡可能小，最好能裝進口袋里，方便外出攜帶。第三，也需要像實驗電源那樣，具備可調的自動恒壓、恒流的功能。第四，可以采用USB供電，外出時就可以使用充電器或充電寶給電源供電。最后，對于大電流輸出的場景，導線電阻帶來的電壓損耗會導致最終負載上得到的電壓偏低，因此，我們需要具備遠端電壓采樣的功能，補償導線壓降，保證大電流工況下負載電壓穩定。

確定了需求，接下來就是硬件方案的設計。首先，我們需要選擇功率拓撲，線性電源效率低，發熱嚴重，體積大，因此可以排除線性電源的方案，選擇開關電源。

常見的開關拓撲有Buck、Boost、Buck-Boost等。Buck拓撲是許多可調DC－DC開關電源采用的方案，但由于Buck電路只能降壓，輸出電壓的最大值就會受限于輸入電壓的大小，Boost拓撲恰恰相反，輸出的電壓無法低于輸入電壓，因此排除了這兩種方案。Buck-Boost電路可以輸出任意電壓，不會受制于輸入電壓，是一個不錯的方案。

常見的升降壓拓撲有兩種，負電壓Buck－Boost電路比較簡單，輸出電壓與輸入電壓極性相反，但該拓撲儲能電感的電流應力會比較大，不適合大電流輸出場景，而第二種全橋升降壓拓撲雖然電路比較復雜，但可以完美適用我們的需求，因此選擇全橋Buck-Boost拓撲。

接下來是電壓調節方案的選擇，電壓調節常見的方案有用數字電位器調節反饋網絡的分壓比、通過DAC調節參考電壓以及用DAC＋電阻反饋網絡的方法。

我采用最后一種方案方案，不難推導出DAC 輸出的電壓與系統輸出電壓的關系是這樣的。

接下來是原理圖的設計，原理圖一共有三頁。

第一頁是主功率變換電路原理圖：

下圖是電源輸入電路，包含了防反接保護電路和緩啟動電路，可以避免上電瞬間的打火。

下面是輸出電路，三個電流采樣電阻用于實現輸出的電流檢測和恒流控制的功能。

下面就是全橋自動升降壓功率變換電路，輸出電壓不會受限于輸入電壓。

電源控制器采用的是LM5175自動升降壓電源控制器，集成了振蕩器、柵極驅動器、可編程軟啟動、逐周期電流限制等功能，我們也是通過控制該芯片實現可調穩壓和恒流的功能。

第二頁原理圖包含了系統的電源開關、電流檢測放大器，可以將輸出電流采樣電阻兩端的電壓放大100倍，輸入到單片機和電流環路誤差放大器，這個運放就構成了電流環的誤差放大器，和LM5175的電壓環構成雙環競爭，實現自動恒壓恒流的控制。

· 9V的輔助電源，為LM5175提供外部的驅動電源輸入，可以降低LM5175內部LDO帶來的能量損耗。

**· **3.3V的輔助電源，為單片機、DAC和放大器電路供電。

· 硬件的輸出過壓保護電路，當輸出電壓超過51V就會觸發保護，使LM5175關閉輸出。

**· **差分放大電路，用于實現遠端電壓采樣，補償導線壓降損耗。

**· **這里也設計了一個USB type-C接口，采用CH224K快充協議芯片，可以用支持PD快充協議的充電器或充電寶為數控電源供電。

**· **理想二極管控制電路，可以防止電源電壓倒灌到USB接口。

**· **簡易的－0.6V的線性電源，為放大器提供負電源，可以增加小信號的放大精度。

第三頁原理圖是系統的測控部分的原理圖 ，包含了參考電壓基準、RTC電池、按鍵板的上拉電阻、簡易的負電壓電荷泵電路、按鍵板接口、輸入電壓檢測、蜂鳴器、指示燈、DAC、單片機系統和OLED顯示屏。

設計好了原理圖，接下來就可以開始繪制PCB了！

到這里我們就完成了系統硬件的設計。