直流稳压电源电路设计篇1
关键词：电子负载；恒流控制；负载调整率
1概述
电子负载具有体积小，调节方便，工作方式灵活，性能稳定，精度高等优点，被广泛应用于电源类产品和各类电子元器件的试验、测试、检定和老化环节。该方案基于盛群AD型单片机，设计了一种智能电子负载，与其他同类设计相比，具有直流稳压电源负载调整率自动测试功能。
系统原理整个智能电子负载系统由单片机、恒流控制电路、功率负载器件、电压电流检测电路、过压保护、供电电源等构成，系统原理框图如图1所示。
电子负载工作在定电流模式时，被测直流稳压电源输出的电流不变（以被测电源能提供相应电流为前提）。测试直流稳压电源负载调整率时，连接好测试电路，按键选定电源负载调整率测试功能，输入被测电源的额定电流、电压值，即可自动测试被测电源的负载调整率。
2硬件电路设计
设计恒流电路使流过功率负载器件的电流值与数/模转换器的输出电压成线性关系。单片机控制数/模转换器输出电压，使恒流控制电路控制功率负载器件流过所需电流。电压电流检测电路把被测电源的输出电压和电流线性地转化成适合盛群单片机内部集成12位模/数转换器测量的量程，单片机切换多通道模/数转换器测量电压和电流检测电路的输出电压，完成测量被测电源输出电压和电流的功能。恒流及电压电流检测电路如图2所示，其中Q1是功率负载器件，用于吸收被测电源输出的功率。
图2中数/模转换器输出的电压经过电压跟随器U1B输入运算放大器U3的同相输入端，运算放大器U3通过采样电阻R6，差分放大器U4等建立了深度负反馈，将运算放大器看做理想的放大器，由“虚短”、“虚断”可得：
UDAC=IR6A
式中：UDAC是数/模转换器输出的电压；I是流过功率负载器件的电流；A是由差分放大器U4及R4，R5等所组成电路的放大倍数，差分放大器U4选用的型号为INA2134。从式（1）中可以看出，流过功率负载器件的电流与数/模转换器输出的电压成线性关系，因此可以通过单片机控制功率负载器件的电流。通过模/数转换器分别测量图2中ADC1，ADC2处的电压，可以得到被测负载电源输出的电压和电流.
被测电源输出电压U与ADC1处的电压UADC1之间关系式为：
被测电源输出电流I与ADC2处的电压UADC2之间关系式为：
UADC2=IR6A
3系统程序设计
系统程序采用模块编程，主程序调用各模块的方式实现。主要由定电流、被测电源输出电压检测、被测电源输出电流检测、负载调整率自动测试、按键检测、显示驱动等模块组成。
整个系统有两个工作模式：定电流工作模式和负载调整率自动测试模式。
定电流工作模式同时显示被测电源输出的电压和电流，系统上电后单片机首先进行各模块的初始化，最后在主循环中不断地检测各个标志位，以判断工作模式，通过检测按键来改变标志位。
直流稳压电源负载调整率S表达式为：
式中：U表示直流稳压电源设定的额定电压值；Uo表示空载输出的电压值；Um表示满载时的输出电压值。
直流稳压电源负载调整率自动测试功能在定电流的基础上进行编程实现，负载调整率自动测试流程图如图3所示。
4结语
以盛群单片机HT45XX为主控芯片设计了一种新型智能电子负载，使运算放大器工作在深度负反馈条件下实现功率负载恒流，该单片机自带12位ADC转换器，选用12位串行数/模转换器，设计过压过流保护电路，通过软件编程实现直流稳压电源负载调整率自动测试功能。实际设计与制作表明，该方案满足设计要求。
直流稳压电源电路设计篇2
关键词：直流，稳压电源，设计
Abstract:powersupplyisdesignedinthispaperiscomposedoftwoparts,respectively,stepvoltageoutputpowergroupandthepositiveandnegativedoublepowergroup.AT89S52microcontrollerasthecoreofthedesignofthecontroldevice,withthehelpofDACseriesofdigital-analogconversionchip,LM317andLM337regulatorandCD4051asthetransformoftheoutputvoltage.DCregulatedpowersupplydesignhascertainprotectivefunction,andcanbeconvenientlyonthevoltagedisplay,eachwith0.1Vstepincreasingordecreasingvoltage,enoughtosatisfymanyexperimentalsituations.
Keywords:DC,DCpowersupply,design
中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：
一、引言
直流稳压电源是电子及电气中常用的设备之一。传统的直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多，但均存在以下问题：当输出电压需要精确输出，困难较大。另外，常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。现设计精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有较高的应用价值。
二、本系统功能特点
(1)一组电源最大输出电流可达2.5A，输出电压从0.0V～＋12.0V以0.1V步进连续可调（递增或递减），在输出电压在小于＋3V时，短路保护；当输出电压为＋3V～＋12V时输出电流超过2.5A时保护。另一组电源最大输出电流为1A，输出电压为：0.0V、±3.0V、±4.5V、±5.0V、±6.0V、±12.0V、±15.0V、±24.0V八种电压依次可调。
(2)输出端无论是过流还是短路，保护电路的动作都是以切断输出回路的方式工作，且当输出短路不再存在或负载足够轻时电路会自动恢复正常工作状态。保护动作时兼有声光报警信号。
(3)电路能够将两组电源的输出电压幅值实时直观地显示出来。
本文以AT89S52单片机为本设计的核心控制器件，借助于DAC系列数模转换芯片将数字量转换成模拟量，并通过I/U的转换以电压的形式输出；运用LM317与LM337结合的方式作为稳压器，用CD4051作为输出电压的变换。
三、系统硬件的设计与实现
系统硬件的结构框图如下图所示。主要由单片机、两组电源、显示、检测与保护电路、报警电路及键盘输入电路组成。
3.1、步进电压输出电源组工作原理
在这部分电路中主要的器件有单片机AT89S52、D/A转换器DAC0832、运放OP07和电流放大所用三极管。其电路原理框图如下图所示。
工作原理：首先给各芯片正常工作的条件，先利用单片机产生一组8位二进制代码并从P0口输出，可以通过按键来调整单片机输出二进制代码的加1和减1。8位二进制范围在00000000～11111111有效,再用此组二进制码送到DAC0832的数据输入端（DI0～DI7）,本系统是因D/A转换简单，故采用直通方式工作。与单片机电路连接如下图所示。
在电流/电压转换之后用运算放大电路进行了4倍的电压放大电路。电路连接如下图所示。
3.2、常用正负双电源组工作原理
该电源组输出正负对称的直流电压，电压值为8组实验最为常用的电源：0.0V、±3.0V、±4.5V、±5.0V、±6.0V、±12.0V、±15.0V、±24.0V。为了确保用电安全，电路在开机状态下必须能有0V的输出功能。电路原理图如下图所示。
图中二极管D1、D3的作用是输入开路时，防止C13、C23通过LM317、LM337放电。D2、D4的作用是输出端短路时，防止C12、C22向稳压器的调整端放电。在LM317稳压电路中，它的基准电压为＋1.25V，输出电流可达1.5A。图中R1、R2为泄放电阻，其输出电压的改变通变换调整端的电阻予以实现。
3.3、保护电路工作原理
保护环节的硬件电路主要由取样电路、A/D转换电路、单片机、保护控制与报警电路四部分构成。构成框图如下图所示。
它能在输出端短路或是负载过重导致的过流现象存在时动作，以切断输出回路保护电源本身不致损坏。其取样电路采用阻值极小的大功率电阻，这里取值为0.1Ω，如下图所示。
串联电阻R2、R3的作用为了防止输出端短路是的高电压反馈到A/D转换器的模拟量输入端而导致其损坏。当输出端连接上负载时，在取样电阻就会有电流流过，并产生一定的压降，并作为取样信号送到A/D转换电路进行模数转换。
3.4、显示电路工作原理
显示电路运用了最为常用的1/3位A/D转换集成电路ICL7107，由于该芯片要求正负双电源供电。以ICL7107本身38脚产生振荡信号作为资源，用一个六非门集成电路CD4069（或74LS04）与电阻电容构成负压产生电路。而芯片参考电压（36脚）仍用TL431提供。如下图所示。
3.5、数控部分
数控部分是稳压电源实现数字化控制的核心。以AT89S51单片机为控制核，采用DAC模块实现稳压电路的输出控制，并由ADC模块实现输出电压的测量，利用键盘和显示模块实现人机交互。键盘模块采用4×4矩阵键盘，实现输出电压的数字化设定和步进调整。而DAC模块和ADC模块都采用串行控制芯片，减少了单片机IO口的使用。
四、系统软件设计
本系统的软件用C语言编写而成。包含主程序、D/A转换程序、A/D转换程序、保护动作程序几个模块组成。主程序流程图如下图所示。
由于设计使用的51系列单片机没有SPI接口，故采用软件模拟SPI的操作方法实现串行控制。在ADC采样时，对输出电压进行多次采样(如100次)，取其平均值作为采样结果，否则采样过于频繁，测量不准确。而预设DAC输出时，根据设定值预设一个DAC控制字，使输出接近设定值。在微调DAC输出时，只需对DAC控制字进行增1或减1操作即可。在键盘扫描时，如果按下的是数字键，则储存数字;如果按下的是单位键，则组合之前按下的各数字键，使之成为一个数值，作为新的设定值;如果按下的是步长键，则可设置步长值;如果按下的是步进键，则对DAC设定值按所设置的步长增或减，使输出电压步进变化。
五、结果分析
（1）由于选择A/D与D/A转换器精度远高过指标要求的精度，且电路中所用的电阻均采用精密电阻，所以可以保证设定值和实际测量值的精度要求经过测试，误差最大为0.06V。
（2）输出端并联大容量的电容滤波与优质高频吸收电容（突波电容）,进一步降低输出电压的纹波系数。
六、结束语
本文介绍的电源以AT89S52单片机为核心控制器件，此电源不仅拥有完善的过流保护功能、直观的电压显示、良好的稳定性和较大的输出电流，而且能同时输出常用正负双电源和以0.1V步进递增或递减电压，足以满足众多实验场合的需求。
参考文献
[1]王春梅.实验室简易数控直流稳压电源的设计[J].化工自动化及仪表.2011(01)
[2]刘楚湘,杜勇,尤双枫.基于单片机的数控直流稳压电源设计[J].新疆师范大学学报(自然科学版).2007(01)
直流稳压电源电路设计篇3
关键词：电子负载C8051F350单片机设计
中图分类号：TP368.1文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）10-0169-02
1前言
在电路中，负载是用来消耗电源输出能量的装置。直流电子负载由于采用了功率半导体器件替代纯阻元件作为电能消耗的载体，可实现负载的智能调节与控制，并能达到较高的调节精度和稳定性，直流电子负载不仅可以模拟实际的负载情况，还可以编程模拟一些特殊的负载实现指定的波形曲线，用以测试稳压电源设备的瞬态特性，这是纯电阻式负载所无法实现的，近年来已广泛应用于电源类产品和功率电子元器件的性能测试、老化等实验环节。
2系统方案设计
恒流式直流电子负载利用比较放大器、功率元件等构成电流负反馈环路，用单片机、比较器和采样电路构成电压反馈环路。使用两个环路可使系统更加稳定，反应速度更快。系统主要由恒流源、采样、测量显示、功率控制、保护电路等电路组成。C8051F350单片机为控制核心，通过测量电源加在负载端的电压及负载电流，并与设定恒流值、过压保护设定值比较后，调整恒流功率管的电流到规定值，或进行过压保护，并在显示器上显示测量信息。图1为恒流式直流电子负载系统框图。（如图1）
3硬件电路设计
3.1单片机控制电路
控制电路采用C8051F350高性能单片机芯片（如图2），C8051F350是一款集成了单片模数混合信号的微控制器。内部有一个24位8通道ADC电路及8位双通道DAC电路，可用于模拟电压的高分辨率测量转换及控制数字量的模拟电压输出。设计使用情况为：1、2脚用于电压测量，3、4脚用于电流测量，11、12脚用于程序写入，14、15、16脚用于LCD显示控制，13、23脚用于按键开关，29脚用于恒流控制输出。（如图2）
3.2控制电路
控制电路如图3所示，负载电源输入部分采用桥式电路，可防止电源正负极接反。比例放大器IC1B将采样电阻R13两端电压放大再与单片机输出的参考电压进行比较输出，控制功率MOS管形成电流负反馈。输入电压经R18、R17、R15分压后送单片机测量并与设定保护电压比较用于控制功率MOS管关闭，达到电源过压保护的目的。另外电压比较器IC2B用于最大输入电压保护，当输入电源电压高于最大规定值时，IC2B输出低电平关闭MOS管，并点亮过压保护指示灯。（如图3）
4程序设计
单片机控制软件采用C语言，Keil-C51编译平台。主要功能模块程序有主循环程序、电流电压ADC检测程序、显示程序、负载调整率计算程序等。图4为主控制程序流程图。（如图4）
5调试与性能测试
5.1调试方法
在检查硬件电路无虚焊，线路连接正确的情况下，用GWINSEKPST-3202型线性电源、12V蓄电池、RIGOLDM3051型数字万用表进行电路调试与性能测试。测试过程为：
（1）将12V蓄电池一路提供给恒流电路中的运放芯片LM393工作电压，绿灯亮；另一路通过7805稳压成5V后再由LM1117IMP-3.3芯片转换成3.3V电压，给单片机C8051F350供电。检查电路正常后将线性电源作为被测电源接在电子负载电路的二端。
（2）恒流电路检测。用单片机设定一个恒流值，打开线性电源，使其电压从零开始增加，观察输出电流是否为设定的电流值，并记录在12V输出电压的情况下，由设定恒流值下的各实际输出电流值。
（3）过压保护检测。将单片机设定一个过压保护电压值（电流设在较小的值如100mA），将线性电源电压输出由零开始增加，测试在达到规定的输出电压时，电子负载能否断开保护。
（4）负载调整率检测。在电子负载串接功率电阻下，验证电子负载上显示的电压调整率是否正确。
5.2电路性能
表1至3为电子直流负载的恒流设定精度及稳定度等性能测试表，结果表明：直流电子负载可在恒流工作模式的电流设置范围在100mA～1000mA，恒流精度在1%之内；在不同电压下的恒流稳定度也较好，当电子负载两端电压变化10V时，输出电流变化的绝对值变化小于前电流值的0.1%；负载调整率在0.1%～20.0%范围之内。
6结语
直流电子负载以C8051F350单片机为控制核心，能够直接检测被测电源的电流值、电压值并在LCD液晶上显示，具有恒流值、过压保护值可设定，稳定性好、制作简单等优点。
参考文献
[1]楼然苗，李光飞编著.单片机课程设计指导（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.01.
[2]潘琢金译.C8051F350混合信号ISPFLASH微控制器数据手册.新华龙电子有限公司，2005.07.
[3]沙占友.开关电源优化设计[M].北京：中国电力出版社，2002.
直流稳压电源电路设计篇4
关键词：串联稳压电源Multisum2010仿真
中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1674-098X（2016）10（a）-0055-02
最为简单的直流稳压电源――稳压管直流稳压电源因为有固定大小限制的输出电流，所以，在很多场合下无法满足用电器要求，又兼电压固定不可调节，无法呈现元件的变化特性，使得应用比较单一。然而将稳压管直流稳压电源当作基础，加以有放大电流作用的晶体管，就可以增加负载电流。同时晶体管的负反馈也可以稳定电路电压，输出电压也可以通过改变反馈而来的参数来达到调节的目的，从而适合更多的条件场合。这样改进过的串联稳压直流电源，操作简单灵活，成本低廉轻便，方便使用人员学习操作，也方便针对电路进行维修检修，减少了工作量，极大地提高了工作效率，也能应用于教学举例分析，极大地扩大了适用受众。而利用Multisum2010电路仿真分析工具，可以对串联直流稳压电源的内部结构进行较为完全详尽的仿真分析。通过模拟相关测量仪器对电源内部不同部位的输入电压的示波器显示模型，输出电压的示波器显示模型，从而计算分析出相关输入电压值、输入电流值、输出电压值、输出电压值等不同参数。进而可在教学中作为验证相关定理定律的有效工具手段。
1运用Multisum2010对串联型稳压电路的仿真分析
通常实验室运用的是较为简化的串联型直流稳压电源，基本涵盖了最主要的4个部分，即整流部分、滤波部分、串联稳压部分、保护部分。
1.1整流电路分部
由于Multisum2010电子电路仿真工具能够较好地还原电路实况，也能很好地模拟出给定的不同场景条件，相对所需的反应时间也比较短，所以，我们假定在特定模拟电路不同位置中加入整流二极管4只，（如图1），并将信号输出端用合适的成像示波器模拟出波谱形状，来对不同情况下的假设做出鉴定。
通过仿真分析的谱图可知，无论哪个部位的整流二极管发生开路，都会破坏原有完好的全波整流，形成新的只有一半周期的不完整半波整流，输出电压的大小也会变成原有的一半，仿真模拟得到的结果与实验前的理论预测十分契合，也从侧面证明了该模拟仿真的相似度十分高，可以作为实验数据相信代入计算。
根据如上举例，还可以举一反三探究其他相关问题，比如：若是任意一个位置整流二极管发生短路，又或是两个位置同时发生短路等，均是很有研究探讨价值的问题，在此不作重复演示。
1.2滤波电路分部
将滤波电容也加入到整流电路中，由于电容器具有储存电荷的特性与容抗特点，会阻碍电压降与电流的改变趋势，所以会使得输出电压的波动幅度减小，相对增大平均输出电压。根据计算公式可知，电阻R值越大，相同电容量的电容器放电时间会更长，放电速度也相对减缓，输出的电压变动曲线也愈发平滑缓和，平均输出电压值也就越大。当R值无穷时，平均输出电压的平方值正好是最大输出电压平方的一半，而滤波电容一定时，负载电阻R阻值越大，同理输出电压曲线也变的平缓，平均值也同比增加。
1.3串联稳压电路分布与保护电路分部
稳压电路分部是通过晶体管的负反馈作用来削弱输入电压对输出电压波形与平均值的影响。
保护电路分部的作用主要是在电路中串联负载过了底线值时，又或者输出发生短路时，通过限流型保护分部和截流型保护分部，通过截断电路通道，来保护相关电子元件。
2运用Multisum2010电子电路模拟软件模拟晶体管负反馈串联型直流稳压电源
以电子实验平台EWB为前身的Multisum2010电子电路模拟仿真，最为突出的改进莫过于增加了虚拟仪表读数观察的直观性，与各类电子元件、集成电路芯片库的丰富性，并且拥有较为友好的用户操作界面。使得整个软件的处理信息功能强大却便于操作，是新入门的电子操作设计，电路检修人员增加理解熟悉操作的首选工具。其拥有虚拟仪器涵盖了示波器以及显示分析装置、函数模拟发生器、万用表、波特图图示仪器、针对失真度、谱频、逻辑、网络等必要参数的分析装置等专业仪器，极大地方便了实验要求与设计。
2.1创建模拟电路
注意：（1）要选择AC_VOLTACE_SOURSE此选项作为交流电源，并且接地。（2）在元件库中选好相应的变压器、桥堆，2只稳压二极管，2只三极管，相应阻值的6只电阻，合适的2只电容，并按照示意图连接好电路，在如图位置放置好选择2只万用表作为测量用表。
2.2仿真分析负反馈稳压
双击交流电源按键，调整电压值为220V，频率为50Hz，将万用表调整到量程为15V的电压表模式，读取电压值为12V。另取万用表2，调整量程为15V的压表，分别连接入电路测得电压值如表1。通过对R4阻值的调整可以发现，其阻值的改变会相应的输出电压值。
当输出电压显示值升高时，同样操作调整相关参数为240V，50Hz，改变万用表2位置，进行对相关阻值的测量，并且记下万用表1的电压读数。
当输出电压显示值降低时，同样操作调整相关参数为200V，50Hz，改变万用表2位置，进行对相关阻值的测量，并且记下万用表1的电压读数。
通过表1可以看出，当输入电压的波动范围控制在20V以内的时候，晶体管串联得到的稳压电源能够很好地利用晶体管负反馈的特性，将输出电压维持在固定数值保持不变。
假若调整输入电压以及其他电子元件参数数值，按照同样的电路结构，就可以类似得出不同参数的晶体管，以及晶体管数量安装方式不同时改造的串联型稳恒电压的最大波动幅度和稳定性，可以作为改进串联型稳压电源的深入性探究，具有很大的教学与商业价值。
3结语
串联型直流稳压电源因其稳恒的输出电压，简单的构造、方便的操作在精密仪器、电子元件领域扮演着不可替代的角色，对它的分析改进也一直是教学之重和企业创新卖点。然而在现阶段，高校大学物理实验室与中小型的企业电子电路实验室依然存在仪器老旧不完备等缺陷，故而不能很好地实现教学目标与设计检修等工作。通过Multisum2010电子电路的模拟分析，能较好地理解掌握相关的原理，也能相对地熟悉操作，从而将串联型稳压电源的作用发挥到更好。提高教学质量并且激发学生兴趣，也能再次促进电子电路设计维修行业的发展。
参考文献
[1]关朴芳.基于Multisim2001的串联型稳压电源故障仿真[J].常州信息职业技术学院学报，2013（5）：23-25.
[2]黄忠堂.串联型稳压电源的设计[J].广西教育B（中教版），
直流稳压电源电路设计篇5
关键词:电涡流测功机;直流线性稳压;二级电压控制;模拟故障
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-189-04
NewTypeofHigh-powerLinearDCVoltage-stabilizedPower
SourceinEddyCurrentDynamometer
ZHANGXukai,ZHANGWenming,ZHOUHaiyong
(ShanghaiInternalCombustionEngineResearchInstitute,Shanghai,200438,China)
Abstract:Anewtypeofpowersourceusedforexcitationvoltagecontrolineddycurrentdynamometerindesigned.BasedontheSCRrectificationcircuitandanalogtechnology,usingthefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowerMOSFETregulationtooutputlinearDCvoltage.Over-loadprotectioncircuit,open-phaseprotectioncircuitandthermal-shutdowncircuitaredesignedforequipmentreliability.ExperimentalresultsshowthattheequipmentcanoutputlinearDCvoltageandthevoltagestabliltyfulfiltheneedsofeddydynamometer.Theequipmentalsocanquicklyshutdownwhenatfaultstatussuchasover-loads,open-phaseandoverheat.ThepowersourcedesignedbythefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowerMosfetregulationcanfulfiltheneedsofvoltageofeddydynamometer.
Keywords:eddydynamometer;DClinearvoltagecd
stabilized;secondaryvoltagecontrol;analogfault
测功机是发动机台架检测系统中重要的组成部分,用于测量发动机的有效功率。对测功机来讲,为了满足发动机所有转速和负荷范围内都保持稳定运转工况,并且可以平顺且精细地调节负荷,需要一个稳定的加载器来满足发动机实验的要求,需要对加载器提供稳定且可线性变化的电源。在电涡流测功机中,需要对励磁电机提供的直流电源进行驱动,以完成发动机台架检测。
由于电涡流测功机励磁电机要求磁场恒定,故要求电源提供的负载电压恒定不变,而且磁场一般都是稳定的,还要求有较好的电压稳定度,即要求即使输入电压发生一定变化时,输出电压应保持不变。
为了达到平顺调节负荷的目的,输出电压应有适当的线性调节范围,并且还要有一定的保护措施。根据设计需要,该电源输出电压的变化范围为0～180V,要求最大负载功率为5.4kW,输出电压稳定度应优于1%。
1工作原理
由于要求的电压调节范围较宽,要求的功率较大,目前电涡流测功机励磁加载电源采用较多的方法是可控整流器,在此通过控制晶闸管的导通角进行调压。其工作原理是对晶闸管的控制极进行控制,通过改变晶闸管的导通角,可以在输出端获得平均值和有效值都随导通角变化而变化的直流脉动电压。采用该原理设计的电源可以达到很高的输出功率,但是电压稳定性差,而且控制呈显著的非线性,不适合电涡流测功机对电压的要求。因此,该电源采用晶闸管三相桥式移相控制和功率MOSFET调整两个控制环联合控制的方法,使输出电压可以满足大功率、高稳定度和可宽范围线性调节的要求。
1.1系统方框图
由于该电源要求功率较大,并且对电压稳定度也有较高的要求,所以采用如图1所示的电源方框图。
1.2可控整流原理
如图2所示,通过控制晶闸管的导通角,可以在整流电路输出端获得随控制电压变化的电压。
可控整流电路是指在输入交流电压的波形和幅值一定时,输出电压的平均值可以通过调节晶闸管的导通角进行调节。采用可控整流电路可以提高变压器的初、次级利用率,具有较大的功率因数和较小的脉动率,因此选作为主回路。
由于采用整流滤波电路以及稳压电路构成两级控制环。因此选择对整流滤波电路要考虑两点:考虑调整管的工作状态,确保调整管能工作在线性放大区;考虑交流电网波动的影响。交流电网的波动会反映到整流滤波电路的输出电压上。按照国家有关规定,在没有特定说明的情况下,一般按变化±10%来考虑。这就要求当电网电压变化±10%时,调整管要处于线性放大区,从而使稳压电路能保持正常工作。在该电源设计中,由于负载容量较大,使用单相电源会造成三相电网的不平衡,影响电网中其他设备的正常工作,所以采用的是三相桥式全控整流调节方式。三相可控整流的脉动频率比单相高,纹波因数显著低于单相。三相全控桥式整流电路电路可以在负载上得到比三相半控桥式整流电路更为均匀的波形。
采用市场上常见的三相整流功率模块,集成了晶闸管三相桥式整流电路以及触发电路,通过对模块的输入电压进行控制,即可完成整流与调相功能。通过在功率模块输入端连接三相隔离变压器,将输出电路与交流输入隔离。隔离变压器具有电压变换功能及有源滤波抗干扰功能。隔离变压器在交流电源输入端的特点为:若电网三次谐波和干扰信号比较严重,采用隔离变压器,可以去掉三次谐波和减少干扰信号;
采用隔离变压器可以产生新的中性线,避免由于电网中性线不良造成设备运行不正常;非线性负载引起的电流波形畸变(如三次谐波)可以隔离而不污染电网。
隔离变压器在交流电源输出端的特点为:防止非线性负载的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染,起到净化电网的作用;在隔离变压器输入端采样,使得非线性负载电流的畸变不影响取样的准确性,得到能反应实际情况的控制信号。
对于小功率或者中等功率的使用场合,可以采用单相桥式半控的方法作为其整流主回路。电路组成可以选择晶闸管模块作为主回路,使用KC04芯片作为晶闸管模块的移相触发电路。通过调节KC04的控制电压控制晶闸管的导通角,从而得到随控制电压变化的直流脉动电压。
1.3串联反馈晶体管电路
可控整流输出的电压经电容整形滤波后的电压仍然具有较大的纹波,波动很大,而且很容易受电网电压的影响,并且单纯控制晶闸管的导通角得到的输出电压呈明显的脉动和非线性。这就要求系统在可控整流电压输出端添加串联反馈调整电路,使输出电压达到设计要求。其稳压原理是调整元件的动态电阻,它是随输出电压的变化而自动变化的。当负载电阻变小使输出电压降低时,调整元件的动态电阻便会自动变小,从而使调整元间两端的压降降低,确保输出电压趋近原来的数值。串联反馈调整电路的框图如图3所示,包括调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器等部分。输入电压经过调整元件调节后,变成稳定的输出电压,取样电路与基准电压相比较,并把比较后的误差信号送入放大器,增强反馈控制效果。采用串联反馈调整型稳压电路,输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制,而且各项技术指标均可以做得很高。但是过载能力差,瞬时过载会使调整元件损坏,需要添加过载保护电路。
1.4调整元件控制电路设计
在该电源系统中,采用大功率MOSFET作为调整元器件,与三相桥式移向控制一起组成输出电压控制环。
1.4.1三相调压模块的控制
由于采用三相调压模块,所以只需对调压模块进行控制,即可完成整流输出功能。尽管三相模块中控制电压与晶闸管的导通角呈线性关系,如图2所示,晶闸管的输出电压与晶闸管导通角的变化却呈非线性关系;同时,为了保证电源功率输出调整管集-射级之间的电压差基本稳定,便于控制功耗,提高电源安全性,需要使电源功率调整管的输入电压基本呈线性变化。这里采用对控制电压进行非线性处理后,再输入到三相整流模块控制端的方法。控制输入电压经过二极管后作用到运算放大器,利用二极管的非线性特性与三相模块的非线性进行匹配,基本上可以使计算机输出的控制电压与晶闸管整流输出的电压呈现线性比例关系。电压输入/输出特性如图4所示,线路如图5所示。
1.4.2功率MOSFET的控制
该电源选用功率MOSFET作为调整元件,为电压控制型器件,在驱动大电流时无需驱动级,具有高输入阻抗,工作频率宽,开关速度高以及优良的线性区。为了保证电源的可靠性与安全性,需要将强电控制部分与弱电控制部分进行隔离。在此采用光电耦合器完成地的隔离,具体过程如图6所示。
MOSFET的控制电压由计算机提供,经过F/V变换器、光电耦合器、V/F变换器变换后与取样电路取来的电压信号同时作用在比较放大器的输入端,通过与基准电压进行比较,比较放大器将输出相应的电压去控制MOSFET,以稳定输出电压。由于负载电流较大,因此MOSFET需采用并联连接方式,增加输出电流,确保在大电流情况下电源的正常工作。并联运用时,各管的参数尽量一致,可以在发射极串联均流电阻,利用负反馈减小电流分配的不均匀。电路如图7所示。
2监控管理设计
2.1电源保护电路
由于采用串联反馈型稳压电路作为电压控制环,因此在测功机发生短路或者过载时会有很大的电流流过调整管MOSFET,并且所有输入电压几乎都加在调整管的集-射级之间,很容易将其烧坏,因此添加保护电路是必需的。常用的过电流保护电路有限流型、截止型和减流型。这里采用晶体管截止型保护电路,其原理是当负载电流达到限流值,过电流保护电路使稳压电源进人截止状态,并不再恢复,使稳压电源与负载得到有效的保护。其优点是:这时的电源调整管功耗为零,最大缺点是:属冲击性负载时,容易误动作,使稳压电源进人过流保护
状态,且一旦进入过电流保护状态后,即使过电流状态解除,也不能自动复位。具体线路如图8所示,当电流超过额定负载时,采样电阻R4两端电压上升,使晶闸管SCR导通,晶体管NPN1导通,NPN2截止,这时MOSFET的栅级输入电压(即R3处的电压)被强制拉底,使MOSFET输出为零;同时,串联在过载保护线路中的光耦导通,使三相功率整流模块的控制信号输入端接地,串联反馈稳压线路的输入电压为零,起到保护元件的作用。
由于电网自身原因或者电源输入接线不可靠,电源有可能会运行在缺相的情况下,而且掉相运行不易被发现。当电源缺相运行时,整流桥上的电流会不平衡,容易造成损毁,因此必须加入缺相保护电路,以进行缺相保护。电路原理图如图9所示,当ABC三相有一相发生缺相时,其对应的电源指示灯熄灭,缺相指示灯亮起,并且通过光耦输出信号到继电器驱动,此时继电器吸合,将三相功率模块的控制输入与地短接,使可控整流输出为零,起到保护电源的作用。
2.3过热保护
在电源处于长时间大电流工作状态或者工作环境比较恶劣时,电源的内部温度很高,会影响电源的可靠性。有资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,这就意味着温度升高50℃时的工作寿命只有温度升高25℃时的1/6。因此,为了避免功率器件过热损坏,必须对电源的温度进行控制。通过控制MOSFET的管压降可以控制MOSFET上的功率,从而减少发热量,降低温度的升高。
在电路设计中增加一个光电耦合器反馈可以完成这个目的,当MOSFET两端管压降过高时,光耦导通,光耦输出信号反馈至三相调压模块的控制输入,使其输出的控制电压降低,从而降低MOSFET两端的管压降,在保证电源正常工作的前提下,使MOSFET的功率保持在额定范围以内。
当使用环境较为恶劣或者出现电路故障时,即使对MOSFET两端电压进行控制,MOSFET的管芯也可达到很高的温度,这就需要对MOSFET进行散热处理,并在MOSFET附近安装温度继电器;当温度高于温度继电器的额定值时,温度继电器导通,通过一个光耦将导通信号传递到三相功率模块的输入端,使其输入为零,从而使电源功率调整管的输入电压为零,起到保护调整元件的作用。当温度回到正常时,电路可自动恢复工作。
各种保护电路与主回路的关系如图10所示。
3结语
经连续负载试验,该设备各项指标均达到技术要求。经过不断的完善和改进,使其性能稳定,工作可靠。采用晶闸管三相桥式移相控制和功率MOSFET调整两个控制环联合控制,可以有效提高电源的稳定度,降低电源的纹波;采用三相隔离变压器接入电网,可以提高电源的安全性,降低对电网功率的要求;采用集成三相功率调压模块,减少了电路的复杂程度;通过添加各种保护电路,在设备出现不正常运转时,及时切断三相输入,保护元件不受到损坏。由于采用截止型保护电路,电源不能自动复位,所以在环境条件允许的情况下,可以采用开关型过电流保护,解决了限流型的高功率损耗,减流型的锁定效应和截止型的手动复位等问题。该电源主要用于需要大功率线性调压的场合,也可用作大功率高稳定度线性稳压电源使用。
参考文献
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直流稳压电源电路设计篇6
关键词：Atmega16单片机；DA转换器；开关稳压芯片；BUCK电路
数控直流电压源，就是输出电压可控的直流电压源。如今，电子设备己成为人们日常工作和生活中必不可少的一部分，而电源恰恰是电子设备的心脏，为电子设备提供所必需的能量，起着万分关键的作用。电源系统对安全性、可靠性、便捷性以及实用性的要求正变得越来越高，数控直流电压源也因此逐渐受到人们的青睐。传统可调电源往往通过电位器来达到目的，虽然这样的电源有很大的输出功率，但很难做到精确调整，效率也不高。而数控直流电压源输出精确可调，亦有较高的输出功率以及转换效率，且更加轻便。本文的目的就是研究和实现高效低耗的数控直流电压源。
1数控直流电压源基本组成及工作原理
本文所设计的数控直流电压源的基本组成结构框图如图1所示，系统中，MCU选用AVR单片机Atmega16，它内部资源丰富，功耗低，可以保证系统稳定、可靠运行。DA转换器选用TLC5615，其基准源由基准源芯片REF5020产生。模拟电路模块包括开关稳压芯片LM2596_ADJ，运放芯片TL082，开关型电压转换芯片LMC7660以及功率电感等器件，共同构成一个BUCK电路。输出电压、电流经采样电路采入MCU并由液晶LCD5110进行显示。按键作为输入设备，对输出电压进行设置。
本设计工作原理是将单片机与DA转换器进行SPI通信，使DA输出可调的控制电压，送到运放TL082反相端。而以开关稳压芯片LM2596_ADJ为核心的BUCK电路上电后即输出电压，经分压后送到运放同相端，此时TL082作为比较器使用以比较上述两个电压。运放输出信号经二极管IN4148送入LM2596-ADJ的反馈脚（FB端）控制输出电压，由于LM2596-ADJ内部有1.235V基准电压以及比较器，当FB脚处电压小于基准时，会抬高输出电压；反之，则会降低，最终达到稳定从而达到数控的功能。接上负载后，输出电压、电流经采样点路送入MCU，就能在LCD5110上显示输出电压与输出电流。当采得电流值大于额定值，则将软件关闭LM2596_ADJ的使能端，进行过流保护。
2系统硬件电路设计
2.1单片机最小系统电路设计
单片机最小系统是利用最少的器件而使单片机工作的电路组织形式。最小系统电路原理图如图2，包括单片机、振荡电路、复位电路及供电电路。
2.2DA转换器及其基准源电路设计
DA转换器及其基准源电路设计如图3所示，REF5020电路简单，在其2脚（Vin）与4脚（Gnd）之间加上18V以下直流电压，再在6脚（Vout）接小电容即可得到基准电压。TLC5615为10位DA转换器，其1～4脚可与单片机标准SPI口PB4～7相连，通过收到的10位数字码控制输出电压。它的5脚与8脚加上供电电压，6脚（REFIN）接来自基准源的2.048V电压，就能在7脚获取DA的输出电压。
2.3稳压电路及其后级滤波电路设计
LM2596系列是降压型开关稳压芯片，其电路为一标准BUCK电路。稳压电路及其后级滤波电路设计如图4所示，输入电压从其1脚（IN）与3脚（GND）接入，输入电压为40V以下直流电压。开关信号由其2脚（OUT）输出，加到电感与吸纳二极管上。5脚（ON/OFF）为芯片使能端，低电平有效。4脚（FB）为反馈端，接入反馈信号以控制输出电压。图中上半部分为5.0V稳压输出，为单片机供电。下半部分为主稳压电路，输出可数控的电压。PCB设计要点，输出电感、电容以及后级滤波电路参数设计可按实际设计要求参考芯片技术手册。
2.4负电压产生电路设计
由于需为运放提供双电源，故需产生一负电压，可利用开关型电压转换芯片LMC7660。负电压产生电路设计如图5，在芯片8脚（V+）与3脚（GND）加入一正直流电压，并在2脚与4脚之间串上一10～22μF电容，即可在5脚得到对应正电压的负电压。
2.5比较电路设计
比较电路设计如图6所示，本部分电路的核心思想是将输出电压（经分压后）与DA输出的控制电压进行比较，若输出电压小，则抬高输出电压；反之，则降低，使两个电压达到动态平衡以达到数控目的。本电路中，运放与反相端之间的电容，与反馈端的电阻构成一个类似积分器的结构，当平衡时，正负偏移量相等，故系统输出将很稳定。
3系统软件设计
系统软件总流程图如图7所示，本部分设计包括单片机与DAC的SPI通信子程序、AD采样子程序、掉电保持子程序、液晶显示子程序以及键盘扫描子程序，从而达到控制DA输出电压、获取实时电压电流、掉电保持、实时显示以及键盘控制等多项功能，具体见下文分析。
3.1单片机SPI通信程序设计
AVR单片机Atmega16的标准SPI口为PB4～PB7，当直接使用时，只需配置若干相关寄存器即可进行数据的主从机传输，且由于本程序无需从DA传数据到单片机，故实际上MISO（PB6）口是不需工作的。工作时，需要配置SPI相关寄存器，即SPCR寄存器以及确定主机模式、时钟频率等。当使能端（PB4）有效，将一个字节数据赋给数据寄存器SPDR，就可传送一个字节的数据到TLC5615，完成后状态寄存器SPSR中的SPI完成标志位置位，在下次传送时需软件清零，完成后PB4拉高以停止SPI数据传输。
3.2AD采样程序设计
Atmega16单片机内部集成了一个8通道10位的AD转换器。使用时，首先需要配置AD模式寄存器ADMUX以确定AD的参考电压选取、采样通道、放大倍数等。下面要配置ADC控制和状态寄存器ADCSRA寄存器以决定分频率，AD中断是否使能，AD是否启动等。另外，若要使用AD中断，还要配置全局中断寄存器SREG。完成后就会开始进行AD转换，转换得到的10位数字码存在两个寄存器ADCH与ADCL，在程序中取出两个寄存器内容后进行一定的转换即可。
3.3掉电保持程序设计
Atmega16内部具有512字节EEPROM，地址范围为0～511。EEPROM的读写方便，ROM的每个地址可存储一个字节。每当用于控制的10位数字码变化，就将其按高低8位拆分，存入ROM中，当开机时再取出相应地址里的内容，重组10位数字码，即可完成掉电保持功能。
3.4液晶显示程序设计
LCD5110是84*48点阵液晶显示屏，它采用串行接口与MCU进行通信且支持多种串行通信协议。液晶显示字符的原理就是将每个6*8的点阵进行选择性点亮，使其显示出相应字符的形状。本设计需显示电压、电流，当得到AD采样结果后，将数据按位拆分，并显示在不同位置即可。
4结论
通过测试，本文所设计的数控直流电压源性能稳定可靠，设计电路实用、简单，效率高，带负载能力较强，该系统有如下特点：
（1）本系统输出电压在0～24V可调，步进为0.1V，输出电流最大可达3A，输出电压值、电流值由液晶LCD5110显示。
（2）最大输出功率45W以上，电源效率在80%以上，纹波不大于100mV。
（3）具有掉电保持、过流保护、常用电压预置等多种功能。
本数控直流电压源设计方案巧妙、电路及控制原理简单，输出可调且具有不错的带负载能力、很高的转换效率，可应用于供电电压在24V以下的各类电子设备供电。
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作者简介：
沈瀚祺，男，（1991～）浙江桐乡人，杭州电子科技大学电子信息学院本科生，研究方向：数字图像处理与DSP芯片设计。