一種智能升降壓變換器的製作方法

2023-11-11 14:46:02 2

本實用新型涉及升降壓變壓器領域，尤其涉及一種輸出電流穩定且升降壓模式可調的變換器。

背景技術：

目前傳統的升降壓變換器(Buck-Boost Converter)也具有升壓和降壓功能其主要通過控制施加在NMOS管上的PWM波佔空比來實現的，當佔空比>50％的時候處於升壓狀態，當佔空比<50％時處於降壓狀態，然而對於這個電路在其做閉環控制之後出現了了明顯的弊端，當發生負載擾動或者電源擾動時由於各狀態可調佔空比範圍僅為50％因此其補償網絡抑制擾動的能力將大幅減小，同時當發生較強擾動時電路通過補償網絡進行自補償容易導致升降壓狀態之間的切換。

傳統的升降壓變換器在做閉環控制之後也可實現對電迴路中電流的控制，通常是旋動電位器來改變輸入Vref參考電壓，這種控制反應較慢、不精確且不能直觀的觀測電迴路中的電流值現實意義不大。

技術實現要素：

本實用新型要解決以上技術問題，提供一種升降壓狀態隔離、抗擾動能力強、輸出電流恆定、控制迅速、精確且能夠觀測電迴路電流的智能升降壓變換器。

為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是：一種智能升降壓變換器，包括電源、顯示屏、微處理器、TL494脈衝寬度調製PWM控制電路、IR2117的NMOS驅動電路、升降壓電路以及電源分壓電路，所述電源分別與所述電源分壓電路和所述升降壓電路相連，所述顯示屏與所述微處理器相連，所述微處理器還與所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路相連，所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路還與所述IR2117的NMOS驅動電路相連，所述IR2117的NMOS驅動電路還與所述升降壓電路相連。

所述電源分壓電路包括電阻R1、電阻R9、穩壓二極體Z1和穩壓二極體Z2，所述電阻R1的一端與所述電源相連，所述電阻R1的另一端分別連接所述電阻R9和所述穩壓二極體Z1，所述穩壓二極體Z1的另一端接地，所述電阻R9的另一端接所述穩壓二極體Z2，所述穩壓二極體Z2的另一端接地。

所述升降壓電路包括繼電器J1、繼電器J2、繼電器J3、繼電器J4、繼電器J5、繼電器J6、繼電器J7、繼電器J8、繼電器J9、繼電器J10、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電感L1、二極體D1、電阻R6和NMOS管，所述電容C1、電容C2的一端分別與所述繼電器J1的開關片相連，所述電容C1、電容C2的另一端均接地，所述繼電器J1的觸點1與所述繼電器J2的觸點1串聯，所述繼電器J2的開關片分別連接所述繼電器J3的開關片和所述NMOS管的漏極，所述繼電器J3的觸點1通過所述電容C3接地，所述NMOS管的源極接所述繼電器J4的開關片，所述繼電器J4的觸點2接地，所述繼電器J3的觸點2與所述繼電器J4的觸點1相連，所述繼電器J4的觸點1還分別連接所述繼電器J10的觸點1和所述繼電器J5的開關片，所述繼電器J10的開關片接所述二極體D1的負極，所述二極體D1的正極接所述繼電器J9的開關片，所述繼電器J9的觸點1接地，所述繼電器J5的觸點1和所述繼電器J6的觸點1串聯，所述繼電器J6的開關片通過所述電感L1接所述繼電器J7的開關片，所述繼電器J7的觸點1與所述繼電器J8的觸點1串聯，所述繼電器J8的開關片分別接所述電容C4的一端和負載，所述電容C4接地，所述繼電器J1的觸點2與所述繼電器J6的觸點2相連，所述繼電器J2的觸點2與所述繼電器J7的觸點2相連，所述繼電器J5的觸點2與所述繼電器J9的觸點2相連，所述繼電器J10的觸點2與所述繼電器J8的觸點2相連，所述電阻R6的一端與所述負載相連，所述電阻R6另一端接地。

所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路包括TL494電路、電阻R8、電阻R7、電阻R4、電阻R2、電阻R3、電容C11、電容C10、電容C7、電容C6、電容C5、可變電阻器R5和繼電器J11，所述微處理器的PWM輸出端與所述電阻R8的一端相連，所述電阻R8的另一端分別接所述電容C11的一端和所述可變式電阻器R5的一個固定引腳，所述電容C11的另一端接地，所述可變式電阻器R5的另一個固定引腳接地，所述可變式電阻器R5的活動觸片連接所述繼電器J11的開關片，所述繼電器J11的觸點2通過所述電阻R7與所述TL494電路的IN1-引腳相連，所述繼電器J11的觸點1與所述TL494電路的IN1-引腳相連，所述TL494電路的IN1+引腳分別連接所述微處理器、所述電容C6和所述電阻R3，所述電容C6另一端接地，所述電阻R3另一端接所述負載，所述TL494電路的IN2-引腳、IN2+引腳均接地，所述TL494電路的REF引腳通過所述電阻R4接地，所述TL494電路的VCC引腳、C1、C2引腳均連接所述電容C10的一端，所述電容C10的另一端接地，所述TL494電路的DT引腳、GND引腳均接地，所述TL494電路的CT引腳、RT引腳分別連接所述電容C5和所述電阻R2的一端，所述電容C5和所述電阻R2的另一端均接地，所述電容C7的一端連接所述TL494電路的FB引腳，所述電容C7的另一端連接所述TL494電路的IN1-引腳。

所述IR2117的NMOS驅動電路包括IR2117驅動器、二極體D2、電容C8和電容C9，所述TL494電路的E1引腳、E2引腳均連接至所述IR2117驅動器的HIN引腳，所述電容C8的一端分別接所述IR2117驅動器的VCC引腳和所述二極體D2的正極，所述電容C8的另一端分別接所述IR2117驅動器的COM引腳和接地，所述二極體D2的負極分別接所述IR2117驅動器的VB引腳和所述電容C9的一端，所述電容C9的另一端分別接所述IR2117驅動器的LO引腳和所述NMOS管的源極，所述IR2117驅動器的HO引腳接所述NMOS管的柵極。

所述微處理器型號為C8051F350。

本實用新型具有的優點和積極效果是：一種智能升降壓變換器，能夠根據需要選擇升降壓模式並獲得恆定的輸出電流；電源為整個系統供電；顯示屏能夠監測流過負載的電流；顯示屏可以進行操作控制電路中的電流和繼電器的開斷；繼電器用於改變電路連接控制電路升壓降壓模式；微控制器控制PWM波輸出、反饋電壓採集、繼電器開斷以及與顯示屏之間的數據交互；TL494脈衝寬度調製PWM控制電路根據輸入的反饋電壓Vx和參考電壓Vref控制輸出的脈衝寬度；IR2117的NMOS驅動電路為TL494脈衝寬度調製PWM控制電路輸出的脈衝進行增幅；升降壓電路還包括負載負端的採樣電阻以及反饋網絡；升降壓電路迴路中的電流恆定不變；電源分壓電路通過分壓為單片機、TL494電路和IR2117驅動器提供合適的工作電壓。一種智能升降壓變換器具有升降壓狀態隔離、抗擾動能力強、輸出電流恆定、控制迅速、精確且能夠觀測電迴路電流等有益效果。

附圖說明

圖1是一種智能升降壓變換器的電路圖；

圖2是電源分壓電路圖；

圖3是升降壓電路的升壓使用效果圖；

圖4是升降壓電路的降壓使用效果圖；

圖5是TL494脈衝寬度調製PWM控制電路和IR2117的NMOS驅動電路連接圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施例做詳細說明。

如圖1-5所示，一種智能升降壓變換器，包括電源、顯示屏、微處理器、TL494脈衝寬度調製PWM控制電路、IR2117的NMOS驅動電路、升降壓電路以及電源分壓電路，所述電源分別與所述電源分壓電路和所述升降壓電路相連，所述顯示屏與所述微處理器相連，所述微處理器還與所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路相連，所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路還與所述IR2117的NMOS驅動電路相連，所述IR2117的NMOS驅動電路還與所述升降壓電路相連。

所述電源分壓電路包括電阻R1、電阻R9、穩壓二極體Z1和穩壓二極體Z2，所述電阻R1的一端與所述電源相連，所述電阻R1的另一端分別連接所述電阻R9和所述穩壓二極體Z1，所述穩壓二極體Z1的另一端接地，所述電阻R9的另一端接所述穩壓二極體Z2，所述穩壓二極體Z2的另一端接地。

所述升降壓電路包括繼電器J1、繼電器J2、繼電器J3、繼電器J4、繼電器J5、繼電器J6、繼電器J7、繼電器J8、繼電器J9、繼電器J10、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電感L1、二極體D1、電阻R6和NMOS管，所述電容C1、電容C2的一端分別與所述繼電器J1的開關片相連，所述電容C1、電容C2的另一端均接地，所述繼電器J1的觸點1與所述繼電器J2的觸點1串聯，所述繼電器J2的開關片分別連接所述繼電器J3的開關片和所述NMOS管的漏極，所述繼電器J3的觸點1通過所述電容C3接地，所述NMOS管的源極接所述繼電器J4的開關片，所述繼電器J4的觸點2接地，所述繼電器J3的觸點2與所述繼電器J4的觸點1相連，所述繼電器J4的觸點1還分別連接所述繼電器J10的觸點1和所述繼電器J5的開關片，所述繼電器J10的開關片接所述二極體D1的負極，所述二極體D1的正極接所述繼電器J9的開關片，所述繼電器J9的觸點1接地，所述繼電器J5的觸點1和所述繼電器J6的觸點1串聯，所述繼電器J6的開關片通過所述電感L1接所述繼電器J7的開關片，所述繼電器J7的觸點1與所述繼電器J8的觸點1串聯，所述繼電器J8的開關片分別接所述電容C4的一端和負載，所述電容C4接地，所述繼電器J1的觸點2與所述繼電器J6的觸點2相連，所述繼電器J2的觸點2與所述繼電器J7的觸點2相連，所述繼電器J5的觸點2與所述繼電器J9的觸點2相連，所述繼電器J10的觸點2與所述繼電器J8的觸點2相連，所述電阻R6的一端與所述負載相連，所述電阻R6另一端接地。

所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路包括TL494電路、電阻R8、電阻R7、電阻R4、電阻R2、電阻R3、電容C11、電容C10、電容C7、電容C6、電容C5、可變電阻器R5和繼電器J11，所述微處理器的PWM輸出端與所述電阻R8的一端相連，所述電阻R8的另一端分別接所述電容C11的一端和所述可變式電阻器R5的一個固定引腳，所述電容C11的另一端接地，所述可變式電阻器R5的另一個固定引腳接地，所述可變式電阻器R5的活動觸片連接所述繼電器J11的開關片，所述繼電器J11的觸點2通過所述電阻R7與所述TL494電路的IN1-引腳相連，所述繼電器J11的觸點1與所述TL494電路的IN1-引腳相連，所述TL494電路的IN1+引腳分別連接所述微處理器、所述電容C6和所述電阻R3，所述電容C6另一端接地，所述電阻R3另一端接所述負載，所述TL494電路的IN2-引腳、IN2+引腳均接地，所述TL494電路的REF引腳通過所述電阻R4接地，所述TL494電路的VCC引腳、C1、C2引腳均連接所述電容C10的一端，所述電容C10的另一端接地，所述TL494電路的DT引腳、GND引腳均接地，所述TL494電路的CT引腳、RT引腳分別連接所述電容C5和所述電阻R2的一端，所述電容C5和所述電阻R2的另一端均接地，所述電容C7的一端連接所述TL494電路的FB引腳，所述電容C7的另一端連接所述TL494電路的IN1-引腳。

所述IR2117的NMOS驅動電路包括IR2117驅動器、二極體D2、電容C8和電容C9，所述TL494電路的E1引腳、E2引腳均連接至所述IR2117驅動器的HIN引腳，所述電容C8的一端分別接所述IR2117驅動器的VCC引腳和所述二極體D2的正極，所述電容C8的另一端分別接所述IR2117驅動器的COM引腳和接地，所述二極體D2的負極分別接所述IR2117驅動器的VB引腳和所述電容C9的一端，所述電容C9的另一端分別接所述IR2117驅動器的LO引腳和所述NMOS管的源極，所述IR2117驅動器的HO引腳接所述NMOS管的柵極。

所述微處理器型號為C8051F350。

一種智能升降壓變換器的最佳實施方式如圖1所示，電源作為外界的供電埠需求供給電壓為25V，通過電源分壓電路分壓得到微處理器、TL494電路、IR2117驅動器工作的合適電壓，電源分壓電路如圖2所示；圖1中的NMOS管、電感、二極體、電容、繼電器、電阻共同構成了升降壓電路，升壓使用效果如圖3所示，降壓使用效果如圖4所示；圖5中TL494脈衝寬度調製PWM控制電路中的誤差放大器以及外部連接的電阻電容構成了補償網絡，IR2117的NMOS驅動電路和其外部連接的二極體、電容等較好的實現了對輸出脈衝的增幅功能；微處理器和顯示屏合併使用構成了一個簡易的人機互動界面便於人為控制。

如圖2所示，電源分壓電路通過穩壓二極體和電阻進行分壓得到微處理器、TL494電路、IR2117驅動器工作的合適電壓，具體實施方式為電阻R1和穩壓二極體Z1獲得穩定的15V電壓，電阻R9和穩壓二極體Z2獲得穩定的5V電壓，其中穩壓二極體Z1獲得的15V電壓作為TL494脈衝寬度調製PWM控制電路和IR2117的NMOS驅動電路的供電電壓；穩壓二極體Z2獲得的5V電壓作為單片機C8051F350的供電電壓。

升降壓電路的輸入電壓是電源供電埠的輸入電壓，電解電容C1和瓷片電容C2對輸入電壓進行濾波，其中電解電容濾除低頻信號瓷片電容濾除高頻信號。當繼電器J1到J10的開關片都吸合至繼電器的觸點1端時，整個電路切換為Buck降壓電路，如圖4所示：NMOS管的漏極接輸入電源，柵極接IR2117驅動器的7號腳，其輸出的PWM波控制NMOS的開斷，源極與二極體D1、電感L1和IR2117驅動器的6號腳同時相連；電感的作用是保持電迴路電流不變，二極體作為續流二極體，當NMOS關斷時，為電流提供一個迴路；電容C4維持負載輸出端的電壓保持恆定；採樣電阻R6的電壓值作為反饋電壓Vx反饋給補償環節。當繼電器J1到J10的開關片都吸合至繼電器的觸點2端時，整個電路切換為Boost升壓電路，如圖3所示：電源輸入電壓通過C1和C2濾波之後直接接入電感一端，電感的另一端同時接二極體的正端和NMOS管的漏極，NMOS管的柵極接IR2117驅動器的7號腳，源極接地；當NMOS管開通時，電源、電感和NMOS管構成閉合迴路對電感進行充磁，當NMOS管關斷的時候，電感則與二極體、負載、採樣電阻等構成迴路並釋放能量維持迴路中的電路恆定不變；電容C4在升壓和電降壓電路中的作用相同。

TL494脈衝寬度調製PWM控制電路如圖5所示：其中誤差放大器、比較器和鋸齒波振蕩器皆為TL494脈衝寬度調製PWM控制電路中的元器件。鋸齒波外接的電阻R2、電容C5共同決定了鋸齒波振蕩器輸出鋸齒波頻率其公式為f＝1.1/(C*R)。電容選值範圍C(4.7nF-10uF)、電阻選值範圍R(1.8K-500K)；PWM調製電路主要由鋸齒波振蕩器、比較器、電阻電容等構成，其目的在於將誤差放大器輸出的模擬量轉換成數字量；補償網絡主要由誤差放大器、電阻電容等組成，其中反饋電壓Vx通過電阻R3和電容C6構成的RC濾波電路濾波之後輸入誤差放大器的負端，而單片機輸出的PWM波經電阻R8、電容C11構成的RC濾波器濾波之後以模擬量的形式輸入誤差放大器的正端；當繼電器J11的開關片吸合至繼電器的觸點1端時，誤差放大器和與其連接的電阻電容組成了Buck降壓電路的補償環節，其是一個比例-積分環節為1+1/S*C7*R5』，其中R5』為可變式電阻器R5接入電路的有效電阻；當繼電器J11的開關片吸合至繼電器的觸點2端時，誤差放大器和與其連接的電阻電容組成了Boost升壓電路的補償環節，其是一個比例-積分環節為1+1/S*C7*(R5』+R7)。

當參考電壓Vref由單片機控制決定時，可變式電阻器R5接入電路中的有效電阻應保持不變，否則會影響迴路電流值使其出現偏移。

IR2117的NMOS驅動電路圖如圖5所示：TL494脈衝寬度調製PWM控制電路中1、2號引腳和15、16號引腳分別作為兩個誤差放大器的兩輸入端，3號腳是反饋/PWM輸入引腳其與誤差放大器的的輸出相連，5、6號引腳分別接電容和電阻決定鋸齒波振蕩器輸出鋸齒波的頻率；15、16號引腳為防止幹擾直接接地，12號腳為VCC接15V電壓為電路供電，8、11號腳接15V電壓決定9、10號引腳輸出PWM波的高電平幅值，4號腳是死區時間控制端和7號GND腳直接接地，13號腳是輸出控制腳當其接地時使得9、10號腳輸出的PWM波同步；14號腳是電路基準輸出口其外接電阻R4；9、10號腳輸出的PWM波進入IR2117驅動器的2號腳。IR2117驅動器的1號腳接電壓15V為電路供電且在與8號腳之間接了一個二極體D2，3號腳接地並在其與1號腳之間接濾波電容C8，在6號腳與8號腳之間接濾波電容C9，7號腳輸出增幅之後的PWM波至NMOS管的柵極，6號腳接NMOS管的源極。

所述電源為整個系統供電；所述顯示屏監測流過負載的電流；所述顯示屏能夠進行人機互動可以根據需求進行操作控制電路中的電流和繼電器的開斷；所述繼電器作為開關，用於改變電路連接控制電路處於升壓模式或者降壓模式；所述單片機C8051F350作為核心控制器，控制PWM波輸出、反饋電壓採集、繼電器開斷以及與顯示屏之間的數據交互；所述TL494脈衝寬度調製PWM控制電路根據反饋電壓Vx和Vref參考電壓控制輸出的脈衝寬度；所述IR2117的NMOS驅動電路為TL494脈衝寬度調製PWM控制電路輸出的脈衝進行增幅；所述升降壓電路還包括負載負端的採樣電阻以及反饋網絡；所述升降壓電路迴路中的電流恆定不變；所述電源分壓電路通過分壓為單片機、TL494電路和IR2117驅動器提供了合適的工作電壓。

所述升降壓電路通過TL494脈衝寬度調試PWM控制電路中的誤差放大器和其外部連接的電阻電容所構成的補償網絡能夠有效抑制外部擾動，保證迴路中電流的恆定不變。

以上對本實用新型的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用於限定本發明的實施範圍。凡依本實用新型範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本專利涵蓋範圍之內。