摘 要：本文介绍了一种基于FP5139芯片设计的输出电压可调电源适配器，该适配器可以将稳压电源的输出电压连续调节并显示，可以应用于手机、ipad、笔记本电脑等电压源，实现一个电源多种应用的目的，有较大的实用性。该系统采用FP5139作为核心处理芯片，通过调整外接可变电阻，改变电路的输出电压，实现电压输出的调节并显示。
关键词：高精度；可调电压源；FP5139
1 引言
随着便携式移动设备的普及，人们对电源的需求越来越高，然而不同移动设备需要的电源电压各不相同，大大影响了我们的使用，为此我们设计了一种输出电压可调的电源适配器，可以连续输出5V~19.9V电压，能够适用于大多数移动设备，方便我们的日常生活。
2 硬件设计
适配器由以下部分组成：输入电压、FP5139控制芯片、辅助元件、反馈电路、输出电路，电压显示电路。输入电压，为整个适配器供电，辅助元件与FP5139控制芯片产生稳定的方波，方波进入输出电路，通过CMOS门电路的整流，产生稳定的直流输出电压。当调整反馈电路的电阻时，可以使适配器的输出电压发生改变，并通过电压显示电路显示。适配器的总体框图如图1所示。
图1
2.1 FP5139控制芯片 （图2）
FP5139的各个接脚：
1-误差放大器输入端；2-软启动及短路保护输入端；3-参考电压源；4-接电阻到地，产生输出端控制电流；5-输出端；6-接地；7 -RC震荡回路接入端；8-误差放大器输出端。
图2
RC震荡回路与外接电容电阻产生锯齿波，锯齿波与误差比较器的另外三个接脚的电压进行比较。当电路刚刚启动时，由于误差放大器负输入端没有信号，这会导致其输出端产生一个较大的信号，使比较器直接放至最大，这是比较器不允许的，比较器会停止此脚与负脚的比较，这时软启动及短路保护电路会通过对外接电容进行充电，产生一个线性变化的信号与负接入端进行比较，产生逐渐放大的电压信号，产生输出。同理，当电路短路时，也会产生同样的变化，起到短路保护的作用，其作用时间由2脚连接的电容决定。当软启动完成后比较器的输出主要取决于DTC电压，误差放大器补偿端输出电压，和锯齿波的比较关系，一般情况下DTC电压为一固定电压，比较器输出的变化由另外两个决定。
FP5139芯片输出控制模块接有恒定的电压源并与4脚连接，当4脚通过一电阻接地时，会产生一恒定的电流，此电流通过源电流镜电路与三极管连接产生输出电压。通过外接电阻和电源电压可以算出电流，又通过两个三极管的饱和电流增益可以算出FP5139电流驱动能力。
2.2 辅助元件
辅助元件为FP5139芯片外接的各种电容电阻，结合FP5139芯片，实现芯片的功能，如构成RC震荡回路，决定软启动及保护电路作用时间等。
图3
2.3 反馈电路
系统的输出通过反馈回路连接到误差放大器的负输入端，也就是FP5139的1脚，通过R2、R6以及FP5139内部与放大器正输入端连接的内置电源0.5V、与输出端连接的36K、500Ω的电阻、与8脚连接的C1共同实现反馈。具体电路如图3所示，其由误差放大器决定系统升压的电压输出公式为
从这里可以看出系统的输出电压由反馈电路决定，当反馈电路的R2和R6发生改变时，系统的输出就会发生改变，由此，我们通过改变R2和R6的比值，就可以实现输出电压的改变，将R6设定为一合适的阻值，R2设定为一变阻器，就可以实现输出电压可调的电压源。
2.4 输出电路
FP5139输出端输出的是一系列方波，当误差放大器提供到比较器的电压升高时，方波的占空比将会增大。我们在FP5139的输出端连接一NMOS电路，这样当占空比改变时，NOMS的开关时间比例就会改变，输出电路就是通过NOMS的开关控制电流的输出，进而改变输出电压的大小。当NOMS导通时，Q相当于短路，电源对电感进行充电，当NOMS断开时，Q相当于断路，这时，电感放电，电容充电，通过电容的充放电，输出端就会有电压产生，这就是控制电压的原理。
3 电路实现
3.1 可调电压电路
如图4所示，利用FP5139实现高精度电压可调电源，R5和C6为RC震荡回路，通过R5和C6决定电路的震荡频率，C1为反馈电路的外接电容，决定了反馈电路的零点和极点，C5控制软启动和短路保护时间。R4控制FP5139的驱动电流能力。
下面我们来计算各个元件的参数：
我们假定工作频率为450kHz，输入电压为5V，输出电压为5V~19.9V，电压变化50mVp-p。
电感L1：边界电感公式为
其中D为电感导通的占空比，即NOMS导通的占空比，输出为19.9V时，D为1-（5V/19.9V）=0.75，当输出为5V时，D为0，以0.75为准。R为等效输出电阻，T为工作周期。假设边界负载电流为60mA，我们可以算出L最小取值17.27uH，这里我们取L1为20uH。
电容C8：电容充放电时，其占空比为D，周期为T，则电容电流波形在（1-D）T时间内，为电感放能，其关系式为
R5和C6：R5和C6控制震荡频率，我们前面已经假定频率为450kHz，由前面知道
当输出电压要求50mVp-p时，我们可得出电容C8的最小取值，由上式可以算出C为0-2uF，这样，我们取C8大于2uF即可，这里我们取10uF，同时，我们应该注意我们使用电容的等效电阻应尽量小。
输入电容C7：输入电容的作用是用于电源的输入端使输入电压保持稳定，假定我们要求电源电压的变化率低于0.5%，那么我们使用的C7必须大于或等于33.4uF。
开关元件Q2和D1：开关元件的选择较为简单，主要是考虑输入到开关元件的电压和电流不要超过其本身的要求，另外由于FP5139到NOMS的电压较低，我们应该注意NMOS的Vgs（ON）这项规格，防止电压过低，无法使NMOS导通，这里我们选择AP2306N和SCD24作为Q2和D1
反馈电路R2和R6：如前文所述
我们要设计的电路输出电压要求为5V~19.9V，这取决于R2和R6的比值，我们取R6为10kΩ，R2为90k-399k的变阻器。这样我们可以得到要求设计的电压。
电流控制电阻R4：由于FP5139产生的电流进入NMOSAP2306，当FP5139输出高电平时，相当于要给NOMS的G和S端等效电容充电，由前面可知DT为0-1.65us，我们要求导通时间中Ton和Toff的时间只占1/10，我们已知AP2306的GS端等效电荷Qg为8.7nC，我们根据电荷公式Ig=Qg/ Ton，可以得到Ig最小为52mA，电压和电流有了，就可以得到最小电阻为38欧姆，这里我们使用的R4为1kΩ。
我们取R5为3.9kΩ，C6取270pf，符合要求。
软启动及短路保护电路外接电容C5：软启动时，FP5139的2脚对C5充电，由于
我们可以求得软启动时间t1=0.35×C，短路保护时间他t2=0.75×C，这里我们取C5 为0.1uF，这样，软启动时间为35ms，短路保护时间为80ms。
零点极点控制电容C1： C1决定了反馈回路的零点和极点，我们需要系统能够平稳的频率较宽，这样我们就要尽量让零点频率前移
因此要让C1足够大，我们选择C1为0.8uF，其零点频率为400Hz。
3.2 电压显示电路
如图5所示为电压显示电路，首先使用MC14433A/D转换器实现模数转换，将前面所获得的电压V1输入模数转换单元的输入端，实现模拟信号转化为数字信号的目的，然后使用译码器将数字信号转换为可以被二极管显示的七段显示信号，这里我们使用CD4511译码器，这样数字信号便可以通过其七个输出脚与显示器相连，显示器我们选用5共阴极LED显示器，其驱动电源为MC1413电路。
图4
为便于实际使用，我们添加了9V电池和7805芯片，为电压显示电路提供电源。
我们将可调稳压电源输出的电压与电压显示电路并连，这样我们在调整输出电压的时候就可以方便的观察电压大小，最终实现我们的电路。
图5
结语
本文主要介绍了一种基于FP5139芯片设计的输出电压可调电源适配器，该适配器可以将稳压电源的输出电压连续调节并显示，可以连续输出5V~19.9V电压，能够适用于大多数移动设备，方便我们的日常生活。
