DIY数控可调电源

本次DIY电源分成两期讲解，第一期也就是本期，将会和大家一起完成数控电源的需求分析、方案设计、原理图和PCB的设计；下期视频会继续分享数控电源的制作过程、程序设计和功能演示，对电源感兴趣的小伙伴可以提前关注。

下面是第一期的重点内容整理：

在设计电源之前，我们需要先确定数控电源的设计需求。作为一台电源，它的输出的功率一定要足够大，至少40V/10A起步不过分吧，这样就可以带得动功率相对较大的用电器。第二，体积要尽可能小，最好能装进口袋里，方便外出携带。第三，也需要像实验电源那样，具备可调的自动恒压、恒流的功能。第四，可以采用USB供电，外出时就可以使用充电器或充电宝给电源供电。最后，对于大电流输出的场景，导线电阻带来的电压损耗会导致最终负载上得到的电压偏低，因此，我们需要具备远端电压采样的功能，补偿导线压降，保证大电流工况下负载电压稳定。

确定了需求，接下来就是硬件方案的设计。首先，我们需要选择功率拓扑，线性电源效率低，发热严重，体积大，因此可以排除线性电源的方案，选择开关电源。

常见的开关拓扑有Buck、Boost、Buck-Boost等。Buck拓扑是许多可调DC－DC开关电源采用的方案，但由于Buck电路只能降压，输出电压的最大值就会受限于输入电压的大小，Boost拓扑恰恰相反，输出的电压无法低于输入电压，因此排除了这两种方案。Buck-Boost电路可以输出任意电压，不会受制于输入电压，是一个不错的方案。

常见的升降压拓扑有两种，负电压Buck－Boost电路比较简单，输出电压与输入电压极性相反，但该拓扑储能电感的电流应力会比较大，不适合大电流输出场景，而第二种全桥升降压拓扑虽然电路比较复杂，但可以完美适用我们的需求，因此选择全桥Buck-Boost拓扑。

接下来是电压调节方案的选择，电压调节常见的方案有用数字电位器调节反馈网络的分压比、通过DAC调节参考电压以及用DAC＋电阻反馈网络的方法。

我采用最后一种方案方案，不难推导出DAC 输出的电压与系统输出电压的关系是这样的。

接下来是原理图的设计，原理图一共有三页。

第一页是主功率变换电路原理图：

下图是电源输入电路，包含了防反接保护电路和缓启动电路，可以避免上电瞬间的打火。

下面是输出电路，三个电流采样电阻用于实现输出的电流检测和恒流控制的功能。

下面就是全桥自动升降压功率变换电路，输出电压不会受限于输入电压。

电源控制器采用的是LM5175自动升降压电源控制器，集成了振荡器、栅极驱动器、可编程软启动、逐周期电流限制等功能，我们也是通过控制该芯片实现可调稳压和恒流的功能。

第二页原理图包含了系统的电源开关、电流检测放大器，可以将输出电流采样电阻两端的电压放大100倍，输入到单片机和电流环路误差放大器，这个运放就构成了电流环的误差放大器，和LM5175的电压环构成双环竞争，实现自动恒压恒流的控制。

· 9V的辅助电源，为LM5175提供外部的驱动电源输入，可以降低LM5175内部LDO带来的能量损耗。

**· **3.3V的辅助电源，为单片机、DAC和放大器电路供电。

· 硬件的输出过压保护电路，当输出电压超过51V就会触发保护，使LM5175关闭输出。

**· **差分放大电路，用于实现远端电压采样，补偿导线压降损耗。

**· **这里也设计了一个USB type-C接口，采用CH224K快充协议芯片，可以用支持PD快充协议的充电器或充电宝为数控电源供电。

**· **理想二极管控制电路，可以防止电源电压倒灌到USB接口。

**· **简易的－0.6V的线性电源，为放大器提供负电源，可以增加小信号的放大精度。

第三页原理图是系统的测控部分的原理图 ，包含了参考电压基准、RTC电池、按键板的上拉电阻、简易的负电压电荷泵电路、按键板接口、输入电压检测、蜂鸣器、指示灯、DAC、单片机系统和OLED显示屏。

设计好了原理图，接下来就可以开始绘制PCB了！

到这里我们就完成了系统硬件的设计。