如何制作一个Arduino开关电源（SMPS）

风筝

了解如何使用Arduino开发板制作和控制开关电源。

在本篇文章中，我们将使用Arduino开发板作为开关模式电源的控制电路。开关模式电源（SMPS）是使用在高频下接通和断开的开关装置来转换电源的电子电路。 SMPS的高效率使其广泛用于计算机和其他敏感电子设备。

开关模式电源的工作原理

一个基本的AC-DC SMPS电源包括：

1.   输入整流器和滤波器

2.   变压器

3.   输出整流器和滤波器

4.    反馈和控制电路

为了在本文中使用Arduino，我们可以使用电路板的PWM输出来控制输出电压。脉冲宽度调制（PWM）是用于改变脉冲序列中的脉冲宽度的常用技术。

PWM引脚用于许多应用，包括调光LED、为电机提供变速控制等。最重要的是，它们用于提供模拟输出，如果数字输出经过滤波，则提供介于0％和100％之间的模拟电压。在Arduino UNO开发板上，数字引脚3、5、6、9、10和11是PWM引脚。

本文设计的电路输出为+30VDC和-30VDC。更多的电压调整需要额外的稳压电源和电位器。

首先，我们将首先降低主电源的电压，然后通过整流电路将其转换为直流电压。

所需的硬件

变压器和整流电路

●    变压器（初级到次级匝数比4.107）

●    4个MBR20100肖特基二极管

●    2个1F电容

●    2个100kΩ电阻

+ 30V输出电路

●    2个保险丝13A

●    3.3Ω电阻

●    2个10uF电容

●    LM317稳压器IC

●    LM143运算放大器

●    TIP147达林顿晶体管

●    1N4007二极管

●    100kΩ电阻

●    10kΩ电阻

-30V输出电路

●    TIP142达林顿晶体管

●    3.3Ω电阻

●    2个10uF电容

●    LM143运算放大器

●    LM337稳压IC

●    100kΩ电阻

●    1N4007二极管

●    10kΩ电阻

●    Arduino IDE

选择变压器

我们制作这种电源的第一步是选择变压器。我们的电源输出为+30V DC和-30V DC，最大10A。因此，我们将使用初级到次级匝数比为4.107的变压器，它将能够为每个次级控制电路提供40V AC和最大15A。

设计整流电路

整流电路将AC电压转换为DC。因此，我们的整流电路将40V AC转换为DC，使我们接近我们所需的输出。一个非常基本的整流电路由四个二极管组成；这里我们将使用MBR20100肖特基二极管。这些二极管广泛用于SMPS、反向电池保护、转换器等。

设计控制电路

我们的+30V DC控制电路基于LM143运算放大器、TIP142达林顿晶体管、LM317稳压器IC和Arduino UNO制作。

首先，我们将整流电路的正电压施加到TIP147晶体管。它是一种PNP互补功率达林顿晶体管，常用于线性和开关工业设备。

我们需要将变压器的中心轴通常用于控制晶体管的集电极电压。

现在，我们遇到了该电路中最重要的元件之一：LM143运算放大器。我选择这款运算放大器的主要原因是它具有+/- 40V的完整输入过压保护功能，具有可比较的电流。

我们将Arduino的PWM输出应用为运算放大器的非反相输入。通过GND引脚，Arduino连接到变压器的中心轴，也可用作反相输入。此外，我们分别将整流器电路的+ 40V和-40V施加到运算放大器的V +和V-。然后，运算放大器的输出被LM317用作参考电压。

这里的计算很简单。

我们使用R2可调电阻，R1为100kΩ。因此，在输出端，我们得到所需的变量+ 30V DC输出。此外，我们在输入和输出端使用10μF电容作为去耦电容，以解决输入噪声和输出瞬变。

+ 30V DC电路

为了获得+30V DC输出，我们必须提供来自Arduino的PWM输出作为反相输入，以及从Arduino到运算放大器的非反相输入的GND。这允许我们对LM317的整个调节电压和我们的最终输出反转。

由于电路现在由负电压控制，我们使用互补元件，如LM317，它是一个负可调调节器和Tip 142，它是NPN达林顿功率晶体管。

-30V DC电路

需要注意的是，我们使用13 A保险丝来保护我们的元件和负载以及用于PWM输入到电路的低通滤波器。

Arduino在电路板上提供模数转换器（DAC），将输入电压转换为数字形式，但是，它们不提供数模转换器，因此我们需要设计一个简单的RC低通滤波器， 将我们的PWM信号转换为与占空比成比例的电压。

我们可以看到，控制电路中两个最重要的元件由Arduino的PWM输出控制，我们在输出端获得所需的对称+ 30V DC和-30V DC，电流最大为10A。

SMPS代码

由于我们需要通过计算机发送消息来控制电源，我们需要使用标准的Firmata代码。 它是一个库，包含与硬件和智能手机、计算机和平板电脑通信所需的一组规则。