可視化直流穩(wěn)壓電源的開發(fā)

　　幾乎所有的電子電路都需要穩(wěn)定的直流電源，特別是在檢定檢修指示儀表時(shí)，除了要有合適的標(biāo)準(zhǔn)儀器外，還必須要有合適的直流電源及調(diào)節(jié)裝置。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)具備了上述功能，且在穩(wěn)壓方面已經(jīng)達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)，能滿足各種場合的需求。

　　在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)過程中，為了檢測產(chǎn)品的相關(guān)功能參數(shù)，通常需要了解電流的變化情況，而傳統(tǒng)的電源不能提供實(shí)時(shí)電流參數(shù)，此時(shí)必須使用萬用表等儀器來測量電流值，其過程繁瑣，影響工程進(jìn)度。因此，迫切需要一種具備傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的功能，同時(shí)能顯示電壓、電流參數(shù)的電源設(shè)備。本文將以此為出發(fā)點(diǎn)介紹一種可以觀察電壓、電流值實(shí)時(shí)變化的穩(wěn)壓電源。

　　本文介紹一種可視化直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)監(jiān)測電壓值，采用輸出端壓降方式計(jì)算電源輸出電流，并將電源電壓、電流值通過LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。電源部分采用開關(guān)型穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓電路相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)要求
　　可視化直流穩(wěn)壓電源主要給實(shí)驗(yàn)室等小功率電子設(shè)備提供工作電壓，在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+15%～-20%條件下應(yīng)具備以下功能：
　�、佥敵鲭妷嚎烧{(diào)范圍為5V～12V；
　�、谧畲筝敵鲭娏鳛�1.5A；

　　③電壓調(diào)整率≤0.2%；
　�、茇�(fù)載調(diào)整率≤0.1%；
　�、菪�率≥40%；
　　⑥具有過流及短路保護(hù)功能；
　　⑦實(shí)時(shí)顯示電壓、電流值。
　　可視化直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于穩(wěn)壓以及電流、電壓的精確顯示。

　　設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)以STC89C52RC為顯示模塊，主電路采用DC/DC變換器與線性調(diào)節(jié)器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，既減小了輸出紋波電流，又降低了系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135實(shí)現(xiàn)輸出顯示，單片機(jī)系統(tǒng)通過對輸出電壓的檢測來讀取顯示電壓和電流值，并通過用LCD液晶顯示輸出電壓電流值。

圖1 硬件主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　硬件主電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。220V、50Hz電壓通過變壓器降壓及整流濾波后得到所需直流電壓，該電壓通過開關(guān)電源電路實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。電子濾波器進(jìn)一步降低開關(guān)電源的輸出紋波。從電子濾波出來的電壓經(jīng)過精密電阻后即是輸出電壓。在精密電阻前后分別進(jìn)行兩次電壓采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)將輸出采樣電壓作為系統(tǒng)的輸出電壓送入LCD上顯示。同時(shí)單片機(jī)還將輸出采樣電壓與比較采樣電壓進(jìn)行減法運(yùn)算，將壓降值通過精密電阻轉(zhuǎn)換為電流值也送入LCD顯示。

　　硬件系統(tǒng)
　　1電源主電路設(shè)計(jì)
　　主電路采用開關(guān)電源（DC/DC變換器）和線性調(diào)整晶體管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，電路原理如圖2所示。開關(guān)電源部分使用的是L4960芯片。該芯片最大輸出電流為2.5A，輸出電壓范圍為5.1～40V，具有較高的開關(guān)頻率（典型應(yīng)用為100kHz），效率可達(dá)90%，芯片內(nèi)部具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)的功能，只需很少的外部元件就可構(gòu)成大電流輸出的開關(guān)電源。芯片的技術(shù)性能可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 電源主電路圖

　　220V、50Hz的電經(jīng)變壓器降壓及整流濾波后得到大約24的直流電壓，該電壓加到開關(guān)電源的輸入端。L4960的輸出電壓由下式計(jì)算：
Uo=UREF(1+R4/R3)=5.1×(1+R4/R3) (1)
系統(tǒng)要求輸出電壓能達(dá)到12V，考慮到線性調(diào)節(jié)部分的壓降，該電路的最高輸出電壓設(shè)計(jì)在15V左右。反饋引腳（2腳）引入到電子濾波器（線性調(diào)節(jié)器）回路，根據(jù)輸出電流和負(fù)載電阻的大小，自動(dòng)降低輸出電壓來減小線性調(diào)節(jié)器的功耗。R4采用10K電位器調(diào)節(jié)，由式（1）不難算出，當(dāng)R3=1K時(shí)，U0 = 5.1～15V。

　　圖2中的電子濾波器（即線性調(diào)節(jié)器）由R6、C7和VT1組成。僅由R4和C7組成的RC低通濾波器雖然能減小U0輸出的紋波電壓，但其帶負(fù)載能力很差。為此增加了一級射隨器VT1，它采用電流放大系數(shù)的達(dá)林頓晶體管TIP122，來提高低通濾波器帶負(fù)載的能力。圖2中C7的大小對濾波效果影響顯著，該值為100μF時(shí)紋波電流很小，但小電流輸出時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，故本設(shè)計(jì)中的C7取值為10μF。

　　需要指出，利用晶體管電子濾波器（亦稱有源濾波器），可在同樣濾波性能下使用較小的濾波的濾波電容C7，獲得采用大電容的濾波效果。其等效電容約為β·C7，β為達(dá)林頓管VT1的電流放大系數(shù)。

　　該電子濾波器引入了對開關(guān)電源電壓的控制功能，當(dāng)負(fù)載電阻很小時(shí)需要較低的輸出電壓（如5V），如果U0保持15V不變，當(dāng)輸出電流很大時(shí)（如2000mA），VT1的功耗會達(dá)到24W，必須為VT1安裝很大的散熱片。加入VT2和R5后，當(dāng)調(diào)整管VT1的C-E結(jié)壓差過大（大約3個(gè)PN結(jié)壓降之和，即 2.1V）時(shí)，會使VT2導(dǎo)通，產(chǎn)生附加的控制電流進(jìn)入FB端，使U0自動(dòng)下降，這時(shí)VT1的功耗將下降到大約4W，大大提高了電源的效率。

　　在系統(tǒng)的輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)精密電阻，系統(tǒng)在精密電阻兩端都對電壓進(jìn)行了采樣，用于檢測輸出電壓和電流。當(dāng)然，系統(tǒng)對精密電阻的精度、功率、阻值溫度系數(shù)和分布參數(shù)各項(xiàng)指標(biāo)都比較高，否則電流檢測準(zhǔn)確度就會受到很大的影響。目前，金屬箔精密電阻的精度可達(dá)10-6，溫度系數(shù)可達(dá)±0.3×10-6/℃，分布電容可低于0.5pF，分布電感可低于0.1μH，已經(jīng)可以滿足設(shè)計(jì)需要。

　　2 顯示部分電路設(shè)計(jì) <