数控直流稳压电源

基于MCU的数控直流稳压电源设计摘要：本项目设计制作一个输出电压范围（612V）可调节和输出电流范围（0500mA）可调节的数控直流稳压电源。直流稳压电源通常是由四部分组成：电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。其中难点在第四部分，本项目设计制作的是一个串联型线性稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块。本项目将基准电压设计成一个数控基准电压，则稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。此基准电压通过单片机的A/D转换实现，通过差动放大电路与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。本项目制作的数控直流稳压电源具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点。关键字：数控直流稳压电源；基准电压；取样电路；单片机一、设计任务与要求1、 设计任务设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源，其原理框图如图1所示。图1 数控电源原理框图2、 基本要求（1） 输出直流电压调节范围+6V+12V。（2） 最大输出电流为500mA。（3） 按键设定输出电压值，分辨率为0.1V。（4） 显示稳压电源实际输出电压值，要求精度为（0.5读数2个字）。（5） 实时采样并显示输出电流，显示分辨率为1mA，要求精度为（2%读数+2个字）。（6） 电压调整率0.2%（输入电压变化范围10%10%下，空载到满载）。（7） 电流调整率1%（最低输入电压下，满载）。（8） 纹波电压（峰-峰值）10mV（最低输入电压下，满载）。（9） 具有过流保护功能；动作电流不大于600 mA。（动作电流为输出电压下降5%时，对应的输出电流值）（10）要求一路单电源供电。二、基本工作原理一个直流稳压电源通常是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分构成，前三部分电路的作用及工作原理较为简单。稳压电路较常用的串联型线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点，其原理图如图2所示。输入电压为整流滤波电路的输出电压。稳压电路的输出电压为： Uz图3采用差动放大电路的稳压电路由上式可知输出电压与基准电压为线性关系，当改变Uz的大小，则输出电压也将发生变化。如果此基准电压是一个数控基准电压，则此稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。数控基准电压源的原理框图如图3所示。图4 数控基准电压源原三、 单元电路设计参考（1）稳压电路串联型稳压电路参见图2，其中调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证，它的选用主要考虑其极限参数ICM，U（BR）CEO和PCM。调整管极限参数的确定，必须考虑到输入电压UI由于电网电压波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。由图可知，调整管的发射极电流IE等于采样电阻R1中电流和负载电流IL之和，即IE=IR1+IL，调整管的管压降UCE等于输入电压UI与输出电压UO之差，即UCE=UI-UO。显然，当负载电流最大时，流过调整管发射极的电流最大，即IEmax=IR1+Ilmax。通常，R1电阻上电流可以忽略，且IEmaxICmax，所以调整管集电极最大电流为： ICmaxIEmax（2）当电网电压最高，即输入电压最高同时输出电压最低时，调整管承受的管压降最大，即 UCEmax=UImax-UOmin（3）当晶体管的集电极电流最大，且调整管承受的管压降最大时，调整管的功率最大，即 Pcmax= ICmax UCEmax（4）由以上几式即可确定调整管的极限参数。实际选用时，还要考虑留一定的余量。（5）电路设计的参数计算：图中输出电压关系为： UoMax=12V Uomin=6V UR=0.7+0.5600mA=1V UImin=Uomax+UCEmin+UR =12+1.5+1=14.5V取UI=17V UImin=171-10%=15.3V UImax=171+10%=18.7VR2=0.7(V)600(mA)=1.167 取1.2 R3=Uzmin-UBE11.3(mA)=44 取43 R1=UImin-Uomax-UBE-UR(+1)mA=15.3-12-1.4-11.67=539 取560放大倍数为6倍，取R4=1.8k R5=430采样电阻取值：要满足最大采样电压不超过2.4V避免烧坏单片机ADC0口所以取值：R6=5.6k R7=1Kf=12RC=50Hz 额定电流下（500mA）负载是R=12（V)500mA=24C=133F 取100F具体电阻视实验室提供的大小进行调整！四、稳压电源主要性能指标直流电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压及温度系数等。稳压电源主要性能指标测试。1、输出电压范围在额定负载情况下，稳压电源输出电压可调范围。2、输出最大电流最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。一般情况下的工作电流IoIomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止IoIomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。图5稳压电源性能指标测试电路3、纹波电压叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压VP-P10mV。4、电压调整率当输出电流和环境温度保持不变时，只考虑由于输入电压改变DUi 所引起输出电压的变化量DUo与输出电压Uo的百分比，即（5）5、电流调整率当输入电压和环境温度保持不变时，改变输出电流所引起输出电压的变化量DUo与输出电压Uo的百分比，即（6）该参数用于考核器件对应于负载变化而维持输出电压不变的能力。6、输出最大电流最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。一般情况下的工作电流IoIomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止IoIomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。 图15 稳压电源性能指标测试电路测试数据：输入9V下降5%，即8.55V时，最大输出电流为594mA；输入12V下降5%，即11.4V时，最大输出电流为598mA；所以有上述数据得到：最大输出电流小于600mA。7、纹波电压叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压。测试数据：输入6.0V，输出电流501mA时，示波器的波动电压为Vp-p=8mV小于实验要求（10mV），所以达到实验要求。五 过流保护电路(硬件保护） 为了使电路安全工作，一般需要加入过流保护电路。当调整管输出电压不变时，负载电阻RL变小输出电流就变大，极限情形负载电阻短路。输出电流变大，图6中的电阻R上压降增大，使得Q2的ICE电流增大，从而流向调整管基极电流变少，从而限制了输出电流的增大。极限情形当UR超过VBE时，三极管Q2饱和导通，调整管无电流输出。 图6 过流保护电路图相关计算如下：（14）根据实验室已有电阻，取R=1.2六、实验数据测量与记录相对误差=|设定电压-实测电压|/实测电压当输入电压为17V时的测量数据：最大输出电流（mA）设定电压（V）数码管显示电压（V）高精度万用表测量电压（V）相对误差（设定电压与实测电压的误差）5046.006.075.911.52%5026.106.156.060.66%5076.206.226.150.81%4976.306.286.260.64%5036.406.456.410.16%5066.506.536.490.15%5027.006.976.980.28%4998.508.448.591.05%5019.008.989.090.99%50410.5010.5610.681.69%50311.0011.0511.080.72%50112.0012.0211.881.01%小结：由表中数据可知在误差允许范围内系统基本达到设计要求。而且单片机测量值与使用高精度电压表的实测值很逼近。系统设计达标。当输入电压为15.3V时的测量数据最大输出电流（mA）设定电压（V）数码管显示电压（V）高精度万用表测量电压（V）相对误差（设定电压与实测电压的误差）4956.006.146.010.17%5059.008.969.272.91%50012.0011.9012.806.25%当输入电压为18.7V时的测量数据最大输出电流（mA）设定电压（V）数码管显示电压（V）高精度万用表测量电压（V）相对误差（设定电压与实测电压的误差）5046.006.276.132.12%5039.009.069.454.76%49712.0012.3613.209.09%空载时测量数据：负载断开时（即输出电流0 mA）设定电压（V）数码管显示电压（V）高精度万用表测量电压（V）相对误差（设定电压与实测电压的误差）0 mA6.005.296.416.39%0 mA9.007.879.373.95%0 mA12.0011.6013.7012.4%满载时测量数据：输出电流为额定电流时（500 mA）设定电压（V）数码管显示电压（V）高精度万用表测量电压（V）相对误差（设定电压与实测电压的误差）5046.006.075.911.52%4999.008.989.090.99%50312.0012.0211.881.01%过流保护时测量数据：设定电压（V）额定电流（mA）额定电流500mA下 测得的电压(V)过流时电压（V）过流电流（mA）6.005036.066.06(1-5%)=5.755909.004978.878.87(1-5%)=8.4359412.0050211.9711.97(1-5%)=11.37598小结：由以上几个表格的数据可看出，本实验设计基本合理能够达到设计要求。七、元器件（设计过程用分立元件实现）三极管： 9013 3个，BD681 1个，导线、电阻若干。八、实验总结：由上述原理分析知本项目设计制作一个输出电压范围（612V）可调节和输出电流范围（0500mA）可调节的数控直流稳压电源。由信号源提供一个直流电源设计制作一个串联型线性数控稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块组成。基准电压由单片机键盘数控输入提供，此基准电压通过单片机的A/D转换实现。调整管采用9013三级管进行过流保护，比较放大器采用了由两个9013三极管构成的差动放大电路，与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。本项目制作的数控直流稳压电源达到了本实验的要求，具有结构简单、调节方便（采用单片机键盘数字输入控制）、输出电压稳定性强（电压调整率与电流调整率1%）、纹波电压小(Vp-p=8mV)、有过流保护（IOmax600mA）等优点。附录：单片机代码# includebit model=0; /定义model，0为输入数据，1为显示电压电流bit flag1=0; /定义标志位作为INT7中断标志char data_10=0,data_1=0,data_01=0,date=0; /定义data表示输入三个数据的十位，个位和十分位unsigned int DA_code=0,mun=0; /DA转化的数字量int voltage=0,current=0; /定义voltage、current表示测定的电压、电流值int ms=0; /定义ms为T0计时单位，每过10ms，ms加1/时钟初始化,外部时钟12Mvoid SYSCLK_Init(void)int i; OSCXCN=0x77; /外部时钟选择12Mfor(i=0;i1)data_10=1;data_1=2;if(data_10=1&data_12)data_10=1;data_1=2;/*if(data_10=0&data_1date)/当输出电压大于设定值时，减小输出DA数字量值if(DA_code0)DA_code-;DAC1L=DA_code%256;DAC1H=DA_code/256; /向DAC1H写数据，DA更新输出else if(voltagedate)/