基于LM2596 的不間斷直流電源設計方案

在主電源斷電時，電路通過繼電器自動將蓄電池切入，給設備供電。在主電源正常時，以不同模式給蓄電池充電：當電壓大于設定值時，恒壓充電;當電壓低于設定值時，恒流充電。測試結果證明該系統可以通過繼電器對電路進行過流保護與欠壓保護。

0 引言

該設計方案的指標要求：

蓄電池為4.2 V,負載為5 V.為此利用開關電壓調節器LM2596 進行DC-DC 變換，具有驅動能力強，線性較好的特點。該不間斷直流電源的主要特點如下：主電源正常時，除可以給設備供電外，還可以以不同模式給蓄電池充電，當電壓大于4.2 V時，切斷恒流充電電路，接通恒壓充電電路;當電壓低于4.2 V時，保持恒流充電;恒壓充電由W117 和運放LM324 構成，具有輸出穩定，波紋小等特點。恒流充電由大功率場管IRF640 和運放LM324組成，具有輸出電流精度高，紋波小，輸出電流受負載影響小等特點;若主電源斷電，則自動將蓄電池切入，保持電源不間斷。

1 系統設計方案

1.1 系統總體框圖

根據系統設計要求，該不間斷直流電源具有：在無交流電源時，不間斷給設備供電;交流電源正常時，有恒壓充電和恒流充電兩種模式;綜合設計要求，形成系統框圖如圖1所示。

1.2 DC-DC變換器方案的選擇

采用開關電壓調節器LM2596,能夠輸出3 A 的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性，可固定輸出3.3 V,5 V,12 V 三種電壓，也可實現在1.2~37 V之間的可調輸出。

該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150 kHz,與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。由于該器件只需4 個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更簡化了LM2596 的使用，極大地簡化了開關電源電路的設計。在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內。可以用僅80 μA 的待機電流，實現外部斷電;具有自我保護電路(一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路)。

DC-DC變換器電路如圖2所示。

1.3 恒壓充電電路設計

恒壓充電電路如圖3所示，電路由運放LM324和三端穩壓器W117構成。LM324連接成電壓跟隨器，其輸出電壓U1 = U- = U+ = UX,可見輸出電壓可通過調節電阻R2 中間抽頭來改變。由于運放的存在，使輸出電壓的調整非常平穩。

1.4 壓控恒流充電電路設計

電路原理如圖4所示。該恒流源電路由運放LM324、場效應管IRF640、采樣電阻R3、負載電阻RL 等組成。

電路采用大功率場效應管IRF640 作為調整管，該管為N 溝道增強型MOS 管，該管工作電壓最高可達100 V,飽和漏極電流可達28 A,功耗約為150 W.當場效應管工作于飽和區時，漏極電流Id 近似為電壓Ugs 控制的電流。即當Ud 為常數時，滿足：Id = f (Ugs) ,只要Ugs不變，Id 就不變。

在此電路中，R2 為康銅絲材料的取樣電阻(阻值隨溫度的變化小)。OP07作為電壓跟隨器，有U+ = U - = Us,由于柵極電流可忽略不計，因此Id = Is = I2 = Us R2 =U+ R2.正因為Id = U+ R2,電路輸入電壓U+ 控制電流Id,即Id 不隨RL 的變化而變化，從而實現壓控恒流。圖4中參數充電電流為200 mA.若要改變充電電流，只需調整R2 即可。

1.5 直流升壓電路設計

設置直流升壓電路的目的是將4.2 V升壓為5 V.直流升壓器的電路如圖5所示，電路主要由新穎的DC-DC升壓變換集成電路組成。

LTC1872是一種超小型DC-DC直流變換集成電路，效率高達90%,低功耗狀態電流為270 μA,本電路實現輸入4.2 V 直流電壓變換為輸出5 V、最大負載電流為1 A的直流電壓。該電路輸出電壓精度可為±4%.

1.6 電壓采樣電路設計

電壓采樣電路如圖6所示。當充電電壓U01 >4.2 V時，T1 導通，繼電器常閉觸點JM1 斷開，常開觸點JM2 接通恒壓充電電路;當充電電壓U01 4.2 V 時，T1 截止，繼電器常閉觸點JM1 接通，恒流充電電路工作，常開觸點JM2斷開，恒壓充電電路不工作。

1.7 繼電器切換電路

切換電路采用繼電器控制，簡潔易控，性價比高，電路如圖7所示。電網電壓正常時，繼電器吸合K1接通，K2斷開，由LM2596供電;當電網斷電時，繼電器釋放K1斷開，K2 閉合，由蓄電池供電。選用的繼電器型號為HRS2H-S-DC5V-N,線圈額定工作電壓為5 V,觸點最大耐壓值直流電壓為24 V,電流為3 A.

2 系統測試

2.1 電源電路測試

當Ui 在176~253 V時，在經過隔離變壓器，整流濾波及LM2596變換器時，U03 可達到5.1 V、I0 為1 A.同時在滿載的條件下，電壓的最大調整率為0.24%.當Ui 為176 V時，在空載到滿載的條件下，整個負載的調整率可達到 1%.

當在滿載時，它的紋波電壓≤5 mV.在測試滿載條件整個電路的效率時，它的最低效率可達到70%.

2.2 充電電路測試

恒流、恒壓充電測試：經測試充電電路能夠在滿足恒流(200 mA)充電時，當電壓達到4.2 V 時，會自動改為恒壓(5 V)進行充電。

同時蓄電池向升壓電路供3~4.2 V 電壓時，經過LTC1872 升壓電路，可達到U02 = 5 V, I0 =1 A,便可保證經過切換電路向用電設備提供足夠的電源。

2.3 升壓電路測試

升壓電路測試結果如下：

從測試結果看出，升壓電路工作正常。

3 結語

本方案所設計的不間斷直流電源，主要是利用LM2596和W117等芯片，較成功地實現了設計要求的功能，電路易于實現，測試結果表明電路性能較好，符合系統方案設計要求， 整體性能穩定，具有較好的應用價值。