數控直流穩壓電源專業設計

    穩壓電源是能為負載提供穩定交流電源或穩定直流電源的電子裝置。直流穩壓電源應用非常廣泛，但只有質量優良的直流穩壓電源，才能滿足各種電子設備的要求。本文利用單片機數字控制技術，采用PWM進行閉環調節，設計出一款性價比高的多功能數字化通用直流穩壓電源。該設計除了具有對電壓的數字控制功能外，還可實時監測實際電壓、電流輸出，效率高，穩定度強。同時，該設計具有調節精度高、功能多、液晶實時監測顯示等諸多優點。

1 電源組成及工作原理
    數控直流穩壓電源主要由整流濾波電路、穩壓電路、采樣電路、PWM控制電路、鍵盤電路、顯示電路和主控電路構成。系統框圖如圖1所示。


    一般而言，現在的數控直流電源按工作原理分為三類，分別為開關電源，相控電源和線性電源。這三類電源各有自身的優缺點。就數字控制部分而言，這些電源的控制方式是一致的，即脈寬控制。因線性電源穩壓精度較高，輸出紋波電壓也較低，在這里主要討論線性電源的設計。
    數控電源的工作原理是將輸入的交流電源經變壓后，整流濾波，通過PWM調節三端穩壓器(開關電源為開關管)來達到調節輸出的目的。然后通過A／D采樣，將數據交由單片機處理，利用閉環調節來保證穩定可控的輸出。
2 系統硬件電路設計
2．1 整流濾波電路
    電源很重要的一個性能指標就是紋波系數，期望紋波系數越小越好。為了獲得更低的輸出紋波，在電路的輸入與輸出端設計了濾波電路。輸入級濾波電路如圖2所示。

 


    該電路輸入電壓為30 V交流，橋堆承受的最大反向電壓為，但考慮到采用的市電有升高的情況，需再乘以市電的升高值，一般市電升高10％的情況，則：。濾波電路是以穩壓電路為負載的，可以認為是恒流放電，則濾波電容的容量為C=IcT／  △Uc，因采用的是橋式整流電路，故最大放電時間可取交流電源的半周，本處三端穩壓器最大負載電流為1500mA，則 =3750 μF。電容的耐壓值Ucm應按照市電電壓升的最大值，以及負載為空載時的情況來進行選擇，即：Ucm=。為留有一定余量，電容取50V／4700μF。
2．2 PWM穩壓控制電路
    PWM穩壓控制單元電路如圖3所示。


    PWM穩壓電路中，直接用PWM的輸出經RC濾波后送到LM317的調節端，但是如果采用這種控制方式不是很穩定，一定要有一種回饋才能保證輸出電壓的穩定。該設計采用的是用A／D獲取到的當前輸出電壓值，通過算法處理來改善動態性能。
    在通過RC濾波時，要根據實際應用合理調節R和C的值，在保證濾波效果時，保證盡量小的時間常數。該電路采用的是RCπ型濾波，容值根據實際電路調整。
3 系統軟件設計
    數控電源的軟件與硬件高度結合，是影響數控電源響應速度，輸出穩定性，擴展能力的關鍵因素，該設計軟件部分包括A／D采樣、PWM控制、鍵盤輸入、液晶顯示和運算這幾個模塊。流程圖如圖4所示。

 


    PWM閉環控制軟件程序：
   
    為防止電源上電瞬間輸出未知，從而產生誤操作的情況，系統軟件設置上電輸出電壓為0 V，用戶可以通過按鍵來控制輸出電壓信號。同時，運用單片機對信號進行處理，從而達到調節PWM輸出。電源系統通過A／D采樣電壓電流值，與用戶設定值作比較，按照閉環控制算法來使輸出符合要求，同時將輸出結果及實時運行情況通過液晶顯示來反映。

4 測試及結果分析
    該設計通過調節PWM脈寬寬度來改變輸出電壓，脈寬從0％～100％，輸出從1．5 V變化到30 V。當PWM脈沖寬度為60％時，輸出為17．97 V，與預設的18 V基本一致，符合設計要求，滿足實際使用。其輸出直流電壓與PWM控制波形如圖5所示。



5 結語
    基于STC12C5410AD的數字電源設計，充分利用了半導體芯片的優勢，使電路穩定，簡潔，可靠。實際電路樣品經測試，輸出穩定、負載能力好、精度高，達到了預期的設計要求。通過修改程序可實現一次設計，反復使用，并易于擴展，因此具有很好的應用價值。