制作一台数控恒压恒流电源

1、制作一台数控恒压恒流电源（上）直流稳压电源是任何电子电路试验中不可缺少的基础 仪器设备，基本在所有的跟电有关的实验室都可以见到。对 于一个电子爱好者来说，直流稳压电源也是必不可少的。要 得到一个电源，一般有两种方法：一是购买一台成品电源， 这样最为省事：二是自己制作一台电源（因为你是电子爱好 者），当然相比于第一种方法会麻烦很多。很显然这篇文章 不是教你如何去选购一台直流稳压电源基本的恒压恒流电源结构框图如图 1 所示。由电压基准 源、调整管、误差放大、电压取样以及电流取样组成。电压 基准源的作用是为误差放大器提供一个参考电压，要求电压 准确且长时间稳定并且受温度影响要小。取样电路、误差放 大

2、和调整管三者组成了闭环回路以稳定输出电压。这样的结 构中电压基准源是固定的，电压和电流的取样电路也是固定 的，所以输出电压和最高的输出电流就是固定的。而一般的 可变恒压恒流电源是采用改变取样电路的分压比例来实现 输出电压以及最高限制电流的调节。图 1 ?基本恒压恒流电源框图图 2? 基本稳压电源简图图 2 中所示的是一个基本输出电压可变的稳压电源简 图，可以很明显地看出这个电路就是一个由运算放大器构成 的同相放大器，输出端加上了一个由三极管组成的射极跟随 器以提高输出能力，因为射极跟随器的放大倍数趋近于 1， 所以计算放大倍数时不予考虑。 输入电压V+通过R1和稳 压二极管 VD 产生基准电压

3、 Vref ，然后将 Vref 放大 1+R3/R2 倍，即在负载 RL 上的得到的电压为 Vref ( 1 + R3/R2 )，因为 R3可调范围是0R3max，所以输出电压范围为 VrefVref(1+R3max/R2 )。这不就和我们常用的 LM317之类的可调稳 压芯片一样了，只是像 LM317 之类的芯片内部还集成了过 热保护等功能，功能更加完善，但是也有它的弊端，主要因 为它是将电压基准、调整管、误差放大电路都集成在了一个 芯片上，因此在负载变化较大时芯片的温度也会有很大的变 化，而影响半导体特性的主要因素之一就是温度，所以使用 这种集成的稳压芯片不太容易得到稳定的电压输出，这也正

4、 是高性能的电压基准都是采用恒温措施的原因，比如LM399 、LTZ1000 等图 3 ? 一只正在 FLUKE 8808A 五位半数字万用表中“服役”的 LM399H图 3 是我从 FLUKE 8808A 五位半数字万用表中拍的恒 温电压基准 LM399H 。扯远了，言归正传（欲了解更多关于 电压基准源的知识，请参看以前无线电杂志 2008 年第 7 期中张利民老师有关电压基准的文章） 。这种以改变取样电 阻阻值来改变输出电压的稳压电源应用是比较普遍的，图 4 照片中是我们实验室中大量使用的稳压电源，就是使用调节 取样电阻阻值来调节输出电压的，电压电流的显示是使用一 片专用的电压测量芯片 I

5、CL7107 实现的， 这种电源价格低廉 易于普及，但也有显而易见的缺点，因为进行电压调节的可 变电阻经过长时间使用会出现接触不良的情况，这导致的后 果是相当严重的， 假设你正在将电压从 5V 慢慢地向 6V 调整， 因为某个点电位器接触不良，相当于电位器开路，从图2 可以看出， R3 开路的话， 输出电压就是能输出的最高电压， 那 么你心爱的电路板就可能会回到文明以前了。图 4 常用的稳压电源图 5 Agilent E3640A 数控稳压电源所以更高端的电源如图 5所示的 Agilent E3640A 采用数 字控制的方法来实现电压以及电流调节的，使用按键或旋转 编码器进行设定，这样就根除了

6、调节环节的隐患。然而一切事物都不可能完美，因为数控电源的输出电压 都是以最小步进电压值为间隔的离散的电压点，所以不能像 模拟控制的电源那样输出连续的电压。但这个缺点对我们平 时的实验基本没有影响，所以这样的电源在我们看来还是 “完美”的。这篇文章要讲的就是制作一个这样“完美”的 数控恒压恒流电源。图 6 就是这台电源的实物照片。图 6 本文所讲述的数控稳压电源图 7 面板特写 本文所讲的数控恒压恒流电源特性如下：1输出电压设定： 020V/0.05V 步进2电压输出误差： 整个输出范围内实测小于± 10mV（ FLUKE 8808A 五位半数字万用表测试） ；3输出电流设定： 03A

7、/0.01A 步进； 4电流显示误差：小于± 5mA （ FLUKE 8808A 五位半数字 万用表测试）；5输出纹波峰峰值小于 8mV2A （Agilent 54641D 示波器 测试）；6具有关闭设定参数记忆功能； 7具有输出使能功能； 8三个常用电压值直接设置（ 3.3V、5V、12V ）（可通过程 序修改）；9使用 12864 液晶显示器，实时显示设定的电压值、电流 值，当前通过测试得到的电压值、电流值以及输出状态（图7 所示）。先做一下原理简析，电源部分的原理图见图 8 所示。这 是个恒压恒流电源，所以它的结构和图 1 框图中所示结构的 就不会有太大的差异。 首先 220V

8、 的交流市电经过变压器 T1 变压后得到交流双 12V 输出，即有中间抽头的交流 24V ， VD1VD4 组成了桥式整流电路，这个相信大家不会陌生。在这个桥式整流的上方还多了两只可控硅VT1 、VT2 ，方向和 VD1 、VD2 相同， 这两个可控硅的作用是进行电压档位切 换的。当电源的设定输出电压在 8V 以内时， P4 端口的第 4 脚 HI/LOW 为低电平 （该电平由单片机控制提供） ，IC1 、IC2 两只光电耦合器不工作，所以可控硅VT1 、VT2 断开，此时的整流桥由 VD1 、 VD2 、 VD3 和 VD4 组成，这时进入整流 桥的是交流12V。当电源的设定输出电压高于8V

9、时，P4端口的第 4 脚 HI/LOW 为高电平，这时 IC1 、IC2 两只光电耦 合器上电工作， VT1 、VT2 工作，交流 24V 被加到了 VT1 、 VT2 上， VD1 和 VD2 此时被反偏而截至，交流 12V 断开， 所以此时的整流桥由 VT1 、VT2 、VD3 和 VD4 组成，对交 流 24V 进行整流。 这样就实现了电压档位的切换， 以代替传 统以继电器切换的方式，因为没有机械部件所以寿命更长、 可靠性更高。图 8? 原理图 1 （电源部分）与图 1 中的结构图相比这个电源的电压电流值都是可以 调节的，所以不是取样电路可调就是基准电压可调。这里我 们使用了调基准电压的

10、方法，因为取样电路的调整一般是通过改变两个分压电阻的阻值来调整，要数字控制不容易实 现，虽然现在有数控电阻但大多只有8 位，精度太低不能满足要求。在这里调节基准电压是使用了一只 12 位的双通道 电压输出型DA转换器TLV5618 （IC5）,关于这个芯片使用 可以参考 2010 年 1 月份无线电杂志中我写的数字示波 表的文章，其中有详细的描述这理解不多说了。 TLV5618 是 双通道12位的DA转换器，A通道用于最高输出电流的设定， B通道用于输出电压的设定。使用REF191E（ IC6）作为TLV5618 的电压基准，这也就是整个电源的电压基准，基准 电压为2.048V，因为REF19

11、1E的温度系数为5ppm，负载调 整率为4ppm，而且输出电流高达 30mA所以完全满足稳压 电源对基准的需求，属于“高配” 。 TLV5618 使用 2.048V 的 基准，输出电压 04.095V 时对应的输入数据为 04095，我 们在这里只取其 04.000V的输出电压范围，步进 1mV。对 其进行 5 倍放大就得到了 020.00V 的输出电压， 步进 5mV， 而我们的电源所采用的步进是50mV，这样就有足够的余量对 DA 转换器的输出带内误差进行修正，但实际使用中不经 修正也是满足要求的。图 9? 原理图 2控制部分）误差放大器使用了高精度双运算放大器 OPA2277P( IC9

12、 )，因为它有着超低的失调电压和超低的温度漂移系 数，以对提高电源的精度和稳定度有着至关重要的作用。 TLV5618 的 B 通道输出电压用于设定输出电压， 该电压送到 IC9A的同相输入端，反相输入端输入通过R8、R9和R10组成的 1/5 分压电路分压后的输出电压，两者进行比较输出 误差电压用以控制调整管进行输出电压的调整，进而实现稳 压的目的。对输出电压和电流的测量为了能和输出 DA 转换 器对应，所以使用了一片 12位 4通道的 AD 转换器 ADS7841E，一通道用于输出电压的测量，二通道用于输出 电流的测量。 ADS7841E 需要一片 4.096V 的电压基准， 所以 使用RE

13、F198E (IC7)为其提供，REF198E和REF191E是同 系列芯片，就不多说了。输出电压经过 1/5 分压后一路送入 电压误差放大器 IC9A ，而另一路送到了 ADS7841E(IC8) 的第 2脚，即 ADS7841E 的第一模拟输入单通道进行 AD 转 换，ADS7841E的输入范围是04095V，对应的输出数据为 04095，测试转换的电压分辨率为 1mV，但是输入电压是经 过 1/5 分压的，所以转换后的数值再乘以 5 才能得到输出电 压值，所以电压测量的最小分辨率为5mV。为了提高输出电流取样的精度，所以输出电流取样使用 了一只DALE产的0.04 Q 3W 1%精度的低

14、阻值电阻 R5，流 过1A的电流可以产生40mV的压降，然后使用仪表放大器 AD620（ IC10 ）对R5两端的压降进行 25倍放大，可以得到 1V/1A 的电流取样关系， 03A 的输出电流对应 03V 的取样 输出电压，可以同时满足 DA 转换器和 AD 转换器的要求。 电流取样所得到的电压一路送到 IC9B 进行误差放大，另一 路送到 AD 转换器的第二输入通道进行 AD 转换，测量输出 电流。因为 ADS7841E的输入范围是 04095V，对应的输出 数据为 04095，所以电流测量的最小分辨率为 1mA。 AD620 的放大倍数由 R6 和 R7 的并联值决定， 计算公式为 Rg

15、=49.4k Q /（ G-1 ），其中 G 为放大倍数， 带入 G=25 可得， Rg=2.058k Q,因为2.058kQ不是标准阻值，故而使用多圈电位器调整 得到， 为了提高电路的可靠性， 所以使用 3kQ 的固定电阻和 10kQ 的电位器并联使用，即使电位器失效，也不致使电路 参数发生巨大变化而损坏。 TLV5618 的 A 通道的输出电压送 到 IC9B 的同相输入端， IC9B 的反相输入端输入电流取样的 电压，由 IC9B 进行误差放大输出控制调整管。因为有 VD7 和 VD8 的存在， 当输出电流小于限制电流时 IC9B 的同相输 入端的电压高于反相输入端的电压，此时 IC9B 输出达到饱 和， IC9B 的输出电压高于 IC9A 的输出电压，所以 IC9B 的 输出电压被 VD8 隔离，此时由 IC9A 控制调整管，电路工作 在分压状态。当输出电流超过最高输出电流时 IC9B 反相输 入端的电压高于同相输