可视化直流稳压电源的开发

中心议题： 

直流稳压电源
直流电源及调节装置

解决方案： 

电源主电路设计
显示部分电路设计
通信电路模块

 
几乎所有的电子电路都需要稳定的直流电源，特别是在检定检修指示仪表时，除了要有合适的标准仪器外，还必须要有合适的直流电源及调节装置。传统的直流稳压电源已经具备了上述功能，且在稳压方面已经达到了很高的标准，能满足各种场合的需求。

在实际的产品开发设过程中，为了检测产品的相关功能参数，通常需要了解电流的变化情况，而传统的电源不能提供实时电流参数，此时必须使用万用表等仪器来测量电流值，其过程繁琐，影响工程进度。因此，迫切需要一种具备传统稳压电源的功能，同时能显示电压、电流参数的电源设备。本文将以此为出发点介绍一种可以观察电压、电流值实时变化的稳压电源。

本文介绍一种可视化直流稳压电源系统，系统以STC89C52RC单片机监测电压值，采用输出端压降方式计算电源输出电流，并将电源电压、电流值通过LCD液晶显示器实时显示。电源部分采用开关型稳压电路和线性稳压电路相结合的方法设计。

设计要求

可视化直流稳压电源主要给实验室等小功率电子设备提供工作电压，在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%～-20%条件下应具备以下功能：

　　①输出电压可调范围为5V～12V；

　　②最大输出电流为1.5A；

　　③电压调整率≤0.2%；

　　④负载调整率≤0.1%；

　　⑤效率≥40%；

　　⑥具有过流及短路保护功能；

　　⑦实时显示电压、电流值。

　　可视化直流稳压电源设计的关键在于稳压以及电流、电压的精确显示。

设计方案

本系统以STC89C52RC为显示模块，主电路采用DC/DC变换器与线性调节器相结合的结构，既减小了输出纹波电流，又降低了系统的功耗。系统采用双积分A/D转换器ICL7135实现输出显示，单片机系统通过对输出电压的检测来读取显示电压和电流值，并通过用LCD液晶显示输出电压电流值。

硬件主电路系统的结构如图1所示。220V、50Hz电压通过变压器降压及整流滤波后得到所需直流电压，该电压通过开关电源电路实现电压调节。电子滤波器进一步降低开关电源的输出纹波。从电子滤波出来的电压经过精密电阻后即是输出电压。在精密电阻前后分别进行两次电压采样，经过A/D转换后送入单片机。单片机将输出采样电压作为系统的输出电压送入LCD上显示。同时单片机还将输出采样电压与比较采样电压进行减法运算，将压降值通过精密电阻转换为电流值也送入LCD显示。

图1 硬件主电路系统结构图

硬件系统

1电源主电路设计

主电路采用开关电源（DC/DC变换器）和线性调整晶体管相结合的结构，电路原理如图2所示。开关电源部分使用的是L4960芯片。该芯片最大输出电流为2.5A，输出电压范围为5.1～40V，具有较高的开关频率（典型应用为100kHz），效率可达90%，芯片内部具有过热保护、过流保护的功能，只需很少的外部元件就可构成大电流输出的开关电源。芯片的技术性能可以满足设计要求。

图2 电源主电路图

220V、50Hz的电经变压器降压及整流滤波后得到大约24的直流电压，该电压加到开关电源的输入端。L4960的输出电压由下式计算：

Uo=UREF(1+R4/R3)=5.1×(1+R4/R3)                    (1)

系统要求输出电压能达到12V，考虑到线性调节部分的压降，该电路的最高输出电压设计在15V左右。反馈引脚（2脚）引入到电子滤波器（线性调节器）回路，根据输出电流和负载电阻的大小，自动降低输出电压来减小线性调节器的功耗。R4采用10K电位器调节，由式（1）不难算出，当R3=1K时，U0 = 5.1～15V。

图2中的电子滤波器（即线性调节器）由R6、C7和VT1组成。仅由R4和C7组成的RC低通滤波器虽然能减小U0输出的纹波电压，但其带负载能力很差。为此增加了一级射随器VT1，它采用电流放大系数的达林顿晶体管TIP122，来提高低通滤波器带负载的能力。图2中C7的大小对滤波效果影响显著，该值为100μF时纹波电流很小，但小电流输出时的动态响应较慢，故本设计中的C7取值为10μF。

需要指出，利用晶体管电子滤波器（亦称有源滤波器），可在同样滤波性能下使用较小的滤波的滤波电容C7，获得采用大电容的滤波效果。其等效电容约为β·C7，β为达林顿管VT1的电流放大系数。

该电子滤波器引入了对开关电源电压的控制功能，当负载电阻很小时需要较低的输出电压（如5V），如果U0保持15V不变，当输出电流很大时（如2000mA），VT1的功耗会达到24W，必须为VT1安装很大的散热片。加入VT2和R5后，当调整管VT1的C-E结压差过大（大约3个PN结压降之和，即    2.1V）时，会使VT2导通，产生附加的控制电流进入FB端，使U0自动下降，这时VT1的功耗将下降到大约4W，大大提高了电源的效率。

在系统的输出端设计了一个精密电阻，系统在精密电阻两端都对电压进行了采样，用于检测输出电压和电流。当然，系统对精密电阻的精度、功率、阻值温度系数和分布参数各项指标都比较高，否则电流检测准确度就会受到很大的影响。目前，金属箔精密电阻的精度可达10-6，温度系数可达±0.3×10-6/℃，分布电容可低于0.5pF，分布电感可低于0.1μH，已经可以满足设计需要。