摘要：本文为便携满足各种装置的控制供电需求，提出了一种基于CUK变换器实现低宽电压输入boost变换器可调输出的电源控制方案。本方案实现2.7v-14v的宽电压输入、3v-28v可调输出（不受输入电压影响）、以及常用接口输出。本方案围绕着在弱电控制领域实现任意装置都可供电，3.3v、5v固定输出，低压信号模拟、操作便携。最后实际测量验证该设计方案满足多种电池都可适配供电、输出电压稳定、输出纹波小且具有保护功能的要求。
关键字：低电压宽范围;可调输出;多款电池适配
在弱电控制研究过程中经常需要不同的外设驱动，而不同的的设备往往包含不同类型的供电模块，再加上大容量电池的沉重，本方案有时需要携带多种电压值的电池往返，给本方案的研究生活带来了不愉快的体验。根据该设计需求，提出了基于低宽电压可调输出的开关电源设计。
随着电子技术的高速发展，开关电源的不断创新。开关电源的高频化使开关电源可实现小型化，以往的大体积、低效率的开关电源逐渐转变成了高频化、高效率、小体积的开关电源。
根据常用碱性电池、锂电池都可供电的项目需求，提出了低宽输入可调输出的开关电源设计方案。输入电压范围2.4v-14v，输出电压3v-28v可调（可低于输入电压），其纹波电压峰峰值<4%。该开关电源产品目前已经测试成功。能够适配多种电池，并可稳定输出。
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开关电源总体设计
DC-DC开关电源通过时开时关的方式将部分能量存储在L电感上。将电感上以及电池上的电压配合不同的电路，实现不同的 电路特性，不同的输出电压。DC-DC可升压可降压可升降压的功能也成为本项目实现宽电压的关键。由于DC-DC的开关特性，使得大幅度减少了无用的电路损耗，实现效率高，散热好的特点。但由于DC-DC开关电源需要搭建较复杂的适配电路，DC-DC的电路体积往往较大，同时噪声也较大。相反LDO线性电源效率低只能实现降压，电压改变值也较小。但却有着电路简单，电路体积小，电源质量高，输出纹波小的特点。
根据以上电源方案的特点，本项目选用DC-DC与LDO结合的方式实现。利用DC-DC升降压
的功能，可以实现该模块输入电压可以比输出额定电压低或者比输出额定电压高。也是实现多种电源皆可供应的前提。而5v和3.3v常用输出口之间的电压变化采用LDO线性降压芯片。采用LDO降压芯片不仅能减少元件数量，还能提高电源质量。在整个起到协调整理的作用。接下来的可调输出模块，为得到更大的可调输出范围。采用3.3v作为输入电压，DC-DC开关电源进行设计。即可实现3.3v-28v可调输出。同时在总电源输入处加装自恢复保险丝，以防止不同电压值的电池并联造成短路的情况。
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低宽电压输入设计
在6种DC-DC变换电路中，本方案采用cuk斩波电路，cuk变换器可看作boost升压变换器喝buck降压变换器串联而成。这样的设计使其具有输出电压可以高于输入电压也可以低于输入电压的特性。该特性成为实现本方案底宽电压输入的关键。同时cuk变换器可以显著减少输入输出电流的脉动。为消除Cuk变换器输出电压极性和输入电压相反对敷铜带来的影响，本项目采用部分区域分别敷铜的方式。低宽电压输入部分采用电源负极铺地。而后续的电源电压处理采用cuk斩波电路输出的-5v作为敷铜。以达到更好的屏蔽效果。在电源电
路设计方面TI公司推出了PowerDesigner 工具。PowerDesigner 提供了一整套的解决方案，面向不同的用户人需求，PowerDesigner可以提供不同的模型工具。这些不同的人使用同一个工具形成一个整体。这些不同的人在实现目标的过程中可以互相引用。实现了电路设计的模块化使用，提高了电路设计的生产效率。因此PowerDesigner 目前也成为广泛应用的case工具。
为满足常用电池（2.4v、3.3v、5v、7.9v、12v）都可供电的项目需求，本方案选用可搭建cuk斩波电路的lm2611作为主控芯片，其可实现2.4v-14v的输入范围，符合适配常用电池的设计要求。参考lm2611数据手册的官方电路的升降压输入输出5v的cuk斩波电路，绘制了lm2611cuk斩波电路，其输出纹波为211mv，纹波波动小于4.2%。
图 1 2.4v-14v输入 -5v输出
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5v转3.3v LDO设计
为实现3.3v的稳定输出，同时尽可能的减小电路板体积，我们选用外围电路体积更小的LDO设计。通过低压差线性稳压管将现有的5v输出转化成3.3v输出。本方案选用ME1117系列的LDO电压调节器，ME1117系列的电压调节器具有高精度，低噪声的特点。其高精度低噪声的特点有效的降低了纹波,可将上层DC-DC模块5v输出的高纹波对后续电路的影响消除，从而改善电源质量。该LDO低压差线性稳压器输出3.3v电压，其输出纹波为90mv，纹波波动小于2.4%，此处的输出滤波电容应使用钽电容。利用钽电容的寄生电阻可以得到更小的纹波，更好的电源质量。在设计过程中增加了ucb接口，可直接输入5v电压供电。方案使用多种供电接口，多种供电模式可应对多种情况。无需再携带指定电池。
图 2 5v转3.3v LDO电路设计
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可调输出设计
为实现可调输出设计要求，可调输出模块使用选用MT3608L阶跃变换器，其具有体积小、效率高等特点。尤其MT3608具有低压闭锁、限流和热过载保护的功能。小小的变换器大大提高了可调输出的安全性。MT3608内部具备4A开关电流限位、可调模块输入电压到28v的可调输出电压的功能。由于本方案将可调模块的输入电压将压到3.3v。所以只要总电路的输入电压在2.4v到14v之间，可调输出的范围就是3.3v到28v。（例如总电源输入7.9v，可调输出最低依然可以达到3.3v）。MT3608作为DC-DC升压变换器拥有高达93%的效率。可调输出纹波为161mv，纹波波动小于1.6%
图 3 可调输出设计
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开关电源的实物验证
根 据上述设计方案，将多个模块搭建在一起。最后打板测试焊接制作，焊接过程中按照模块焊接测试的原则。首先将低宽电压模块的变换器和外围电路完成焊接。调节直流稳压电源，使其在DC 2.4V~14V逐步变化，本项目都能输出稳定5v。对本项目输入12v、7.9v与3.7v电压电池进行实物测试。
图 4 多种电池驱动示例
图 5多种电池驱动示例
测试验证本模块可稳定输出5v。焊接测试5v转3.3v电压电路模块。撤去测试电源，采用USB5v接入的供电方式，检测3.3v是否依旧能正常输出。旋转可调电阻，观察电压输出变换。短接正负极，观察其短路保护功能。经过上述实际测试，本开关电源可在输入电压在DC 2.4V~14V范围内，实现稳定输出电压5v，3.3v以及一位3.3v-28v可调输出。
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结 语
本文主要阐述一块宽电压输入、多种输入方式的多用开关电源模块，其结合了DC-DC开关电源、LDO线性稳压器的不同优势。
图 6可调输出模拟采集值
利用lm2611结合cuk斩波电路实现升降压功能，从而实现多种电池皆可驱动，提高电子工程师的研究便利。开关电源引出大量的5v、3.3v接口，以驱动复杂多样的外设组合。开关电源设立的可调输出(3v-28v)接口（可调输出接口的电压范围不受输入电池电压影响）可模拟不同电压值的模拟量。此电路灵活便利，设计结构简单，功能齐全，功耗低，体积小。利用电路原理进行pcb绘制，大大的缩小了pcb的电路体积。此电路是宽电压输入，可以DC2.4v-14v，应用场合比较广。电路简单，由电阻、电感、电容、二极管、控制芯片设计而成，成本较低，通用性强。对电子电路学习研究具有一定的参考意义。
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