谷 峰，蒲利春，冉秦翠

(重慶理工大學(xué)光電信息學(xué)院，重慶 400054)

自20世紀(jì)以來(lái)，全世界科技取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，人類邁向全新的時(shí)代。隨著電的出現(xiàn)，人們對(duì)電的應(yīng)用也越來(lái)越多樣化，電源成為必不可少的器件［1－2］。電源技術(shù)是一門實(shí)用性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。如今的電源融合了電子、控制、系統(tǒng)集成、材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容，而計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和通信技術(shù)的發(fā)展也對(duì)電源提出了更高的要求［3－6］，這就導(dǎo)致普通的電源無(wú)法滿足一些對(duì)智能化程度、精度和準(zhǔn)確度要求較高的器件。

目前，市場(chǎng)上已出現(xiàn)多種類型的程控電源。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外幾款典型程控電源的參數(shù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)供電輸出的功能指標(biāo)相差較小，這些電源均提供恒流恒壓、可程控調(diào)節(jié)、可預(yù)置輸出固定電流電壓等功能。性能的指標(biāo)在紋波和噪聲抑制上存在一些差異，但在可預(yù)置輸出這項(xiàng)功能上差異較大?？傮w來(lái)說(shuō)，存在以下2點(diǎn)不足:①所有程控電源均不具備輸出預(yù)置序列電壓電流功能;② 使用性價(jià)比高的程控電源搭建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和調(diào)試系統(tǒng)不方便。因此，解決目前的程控電源不具備輸出預(yù)置序列電壓電流功能的問(wèn)題，優(yōu)化程控電源的輸出功能設(shè)計(jì)，提高企業(yè)自動(dòng)測(cè)試工作效率是十分必要和迫切的。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了一種新型的預(yù)置序列輸出程控電源(以下簡(jiǎn)稱“預(yù)控電源”)。通過(guò)“預(yù)控電源”的精準(zhǔn)穩(wěn)定供電功能搭配智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制和手動(dòng)控制輸出電壓電流的目標(biāo)，進(jìn)而有效地解決目前的程控電源不具備輸出預(yù)置序列電壓電流功能的輸出問(wèn)題，可為汽車、電子儀器等廠商提供性價(jià)比高且易搭建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的程控電源，有得盱提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，滿足企業(yè)老化測(cè)試、生產(chǎn)線測(cè)試等多種測(cè)試方案的選擇以及高校、科研院所實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)量的需要。

1 電源總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電源只能符合部分電路的要求，在調(diào)節(jié)范圍和智能穩(wěn)定輸出方面有所欠缺。程控電源則提供了更好的適應(yīng)性和靈活性，能滿足更多的復(fù)雜要求，符合當(dāng)代科技對(duì)電源的要求。

1.1 “預(yù)控電源”與輸出功率參數(shù)

“預(yù)控電源”系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)輸出恒流恒壓，可輸出預(yù)置時(shí)間序列的電壓電流，具有短路以及過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能，且輸出電壓電流可調(diào)節(jié)。在性能方面，可實(shí)現(xiàn)小于5 mV的較低波紋和小于100 μs的較快調(diào)整率，輸出電壓在0～30 V可調(diào)節(jié)，輸出電流在0～4 A 可調(diào)節(jié)［7－8］。“預(yù)控電源”總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 “預(yù)控電源”總體設(shè)計(jì)

1.2 “預(yù)控電源”的控制芯片

電源采用功能強(qiáng)大的STM32F103VCT6，它是一款增強(qiáng)型高性能32位RISC內(nèi)核，其中包括2個(gè)12位的 ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，具有21個(gè)輸入通道，以及標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口(2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN)。工作溫度為－40 ℃ ～ +105 ℃，供電電壓為2.0～3.6 V，其采用的省電模式滿足了低功耗應(yīng)用的要求。100個(gè)引腳可以保證電源的高精度，使電路更加簡(jiǎn)潔。主控制芯片的引腳電路連接圖見(jiàn)圖2。

1.3 “預(yù)控電源”人機(jī)程控界面

人機(jī)程控界面采用醒目的LED數(shù)碼管顯示，對(duì)溫度的變化要求較低，其顯示視角大、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)非常適合人機(jī)界面。界面有2個(gè)數(shù)碼管，左邊顯示當(dāng)前電壓值，右邊顯示當(dāng)前電流值。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是可通過(guò)串口來(lái)連接電腦上的智能界面，進(jìn)而預(yù)設(shè)輸出值和相應(yīng)的輸出時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)人情況下的自動(dòng)輸出;也可通過(guò)最右邊的螺旋開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，2個(gè)數(shù)碼管下方的發(fā)光二極管為指示燈，左邊的發(fā)光代表當(dāng)前為電壓可調(diào)節(jié)輸出，右邊則為電流可調(diào)節(jié)輸出，控制簡(jiǎn)單方便。電腦智能控制界面如圖3所示。其中電壓和時(shí)間的數(shù)值可調(diào)節(jié)(時(shí)間范圍可根據(jù)要求設(shè)定)。

圖2 主控制芯片的引腳電路連接圖

圖3 電腦智能程控界面

1.4 “預(yù)控電源”的預(yù)置序列輸出設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，人機(jī)界面(圖3)初始化、串口初始化。用戶在界面板上輸入需執(zhí)行的電壓或電流離散值以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間參數(shù)，確認(rèn)執(zhí)行，通過(guò)串口向電源發(fā)送按照上述時(shí)間間隔執(zhí)行輸入電壓或電流離散值的命令，之后電源通過(guò)供電部分實(shí)現(xiàn)智能化輸出。具體流程見(jiàn)圖4。

圖4 輸出預(yù)置序列電壓電流的流程

2 電源工作原理

2.1 供電原理

變壓電路包括第一變壓電路和第二變壓電路。第一變壓電路包括數(shù)個(gè)第一繞組，第一繞組由數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)換型繼電器相連，通過(guò)電壓切換電路對(duì)各個(gè)轉(zhuǎn)換型繼電器通電，能實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的電壓轉(zhuǎn)換;第二變壓電路包括2個(gè)14 V電壓繞組和1個(gè)8 V電壓繞組，2個(gè)14 V電壓繞組將輸入電壓轉(zhuǎn)換成14 V為運(yùn)放電源和主控電路供電，8 V電壓繞組則將輸入電壓轉(zhuǎn)換成8 V為串口電路供電。在具體實(shí)施時(shí)，第一變壓電路包括4個(gè)第一繞組，主控電路通過(guò)控制轉(zhuǎn)換型繼電器能實(shí)現(xiàn)輸出電壓分別為 2，4，8，16 V 或者 2，4，8，16 V 的各種組合。第一變壓電路的輸出電流經(jīng)整流濾波放大電路和輸出保護(hù)電路后進(jìn)行輸出。

具體實(shí)施過(guò)程中，利用2，4，8，16 V繞組進(jìn)行變壓，通過(guò)4個(gè)繼電器使電壓在0～30 V內(nèi)切換。變壓后的電壓經(jīng)過(guò)整流堆整流和電容的濾波后輸出到功率MOS管進(jìn)行放大(即整流濾波放大)，同時(shí)利用限流電阻對(duì)電路進(jìn)行限流，然后輸出到具有采樣電阻的采樣電路。采樣電路對(duì)電壓進(jìn)行采樣，同時(shí)把數(shù)據(jù)送到CPU。CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)確定是否開(kāi)啟調(diào)整電路，當(dāng)變壓后的電壓與設(shè)定電壓相匹配時(shí)，CPU控制電壓經(jīng)過(guò)輸出保護(hù)電路后實(shí)現(xiàn)電壓的最終輸出。

主控電路包括CPU及其外圍電路。CPU通過(guò)外圍電路與電壓切換電路、輸出保護(hù)電路以及控制信號(hào)輸入電路相連，接收控制信號(hào)并對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制。CPU能對(duì)輸入的參數(shù)序列進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)該參數(shù)序列進(jìn)行相應(yīng)輸出。

控制信號(hào)輸入電路包括模擬信號(hào)輸入電路(按鈕或旋鈕輸入，即硬件輸入)和數(shù)字信號(hào)輸入電路(即電腦顯示窗口輸入)。模擬信號(hào)輸入電路包括1個(gè)旋鈕開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換電路，旋鈕開(kāi)關(guān)量(0～30V)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路后與CPU相連。數(shù)字信號(hào)輸入電路通過(guò)串口電路與上位機(jī)相連，從而通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)輸入并對(duì)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋［9－10］。

電路還包括數(shù)個(gè)顯示管，顯示管的控制板端子與CPU連接。當(dāng)CPU確認(rèn)輸出值時(shí)，會(huì)通過(guò)控制板控制數(shù)碼管的顯示。

2.2 控制原理

上位機(jī)通過(guò)串口對(duì)電源進(jìn)行智能控制(數(shù)字信號(hào)輸入控制輸出)［11－12］:通過(guò) CPU 先為電源設(shè)置一個(gè)可編寫的時(shí)間計(jì)時(shí)器，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)設(shè)置固定的時(shí)間點(diǎn)輸出所需的電壓值，具體實(shí)施時(shí)可通過(guò)上位機(jī)設(shè)定時(shí)間和電壓值，確定后通過(guò)串口電路輸入到主控電路。其中，將控制信號(hào)首先輸入到串口電路，經(jīng)串口電路后輸送到主控電路的CPU，CPU得到指令后，通過(guò)信號(hào)輸出接口將信號(hào)送到電壓切換電路中。變壓電路通過(guò)控制繼電器輸出相應(yīng)數(shù)值的電壓，整流濾波放大電路對(duì)變壓后的電壓整流、濾波、放大和限流后，最終實(shí)現(xiàn)輸出。同時(shí)，CPU通過(guò)串口電路反饋數(shù)據(jù)值給上位機(jī)，通過(guò)波形圖在人機(jī)界面直觀顯示。

螺旋撥碼器控制電源輸出(模擬信號(hào)輸入控制輸出)。電源接電時(shí)，開(kāi)啟螺旋撥碼器開(kāi)關(guān)，信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入端口輸入到移位寄存器，同時(shí)通過(guò)該輸入端口將信號(hào)傳送到CPU。CPU得到指令后，通過(guò)信號(hào)輸出接口把信號(hào)傳送到電壓切換電路。變壓電路通過(guò)控制繼電器輸出相應(yīng)的數(shù)值，整流濾波放大電路對(duì)變壓后的電壓進(jìn)行整流、濾波、放大和限流后實(shí)現(xiàn)輸出，同時(shí)經(jīng)過(guò)三極管放大輸入到數(shù)碼管顯示當(dāng)前數(shù)值。

3 樣機(jī)的性能測(cè)試及其誤差分析

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，筆者所在團(tuán)隊(duì)制作了實(shí)物樣機(jī)。樣機(jī)在設(shè)計(jì)功能方面，實(shí)現(xiàn)了恒流恒壓的輸出，可輸出預(yù)置時(shí)間序列的電壓電流，具有短路以及過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能，且輸出電壓電流可調(diào)節(jié);在性能方面，實(shí)現(xiàn)了小于5 mV的較低波紋和小于100 μs的較快調(diào)整率，達(dá)到了輸出電壓在0～30 V范圍可調(diào)節(jié)，輸出電流在0～4 A范圍可調(diào)節(jié)等預(yù)期效果。樣機(jī)實(shí)物見(jiàn)圖5。為驗(yàn)證樣機(jī)的準(zhǔn)確可行性，針對(duì)樣機(jī)的智能控制輸出和手動(dòng)控制輸出分別做4組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。在實(shí)驗(yàn)中，利用預(yù)控電源樣機(jī)輸出預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，待電壓輸出后，用標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表對(duì)輸出電壓值進(jìn)行檢測(cè)，得出相關(guān)數(shù)據(jù)。將利用萬(wàn)用表測(cè)得的數(shù)據(jù)與預(yù)控電源樣機(jī)的預(yù)置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出輸出誤差。通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，智能控制電壓輸出的誤差相比手動(dòng)控制的誤差小。

圖5 樣機(jī)實(shí)物

造成樣機(jī)輸出誤差的主要原因包括:①手動(dòng)控制輸出是通過(guò)樣機(jī)的螺旋撥碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)過(guò)程中撥碼器的準(zhǔn)確度以及人為因素都會(huì)直接影響輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，而智能控制輸出通過(guò)智能系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)直接對(duì)輸出進(jìn)行控制，準(zhǔn)確性相比手動(dòng)控制輸出高很多;②在樣機(jī)工作前對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，在此過(guò)程中軟件得到了相應(yīng)的校準(zhǔn)而硬件則沒(méi)有校準(zhǔn)，故校準(zhǔn)過(guò)程中存在誤差;③整流電路工作過(guò)程中產(chǎn)生的誤差［13］主要是由于整理二極管的導(dǎo)通角引起的。通過(guò)對(duì)樣機(jī)誤差的分析發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)電源的誤差小于程控電源，解決了現(xiàn)今電源的無(wú)可預(yù)置序列輸出的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在智能和手動(dòng)兩方面的人性化穩(wěn)定輸出恒流恒壓、預(yù)置時(shí)間序列的電壓電流功能。

表1 手動(dòng)和智能控制的誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)程控電源的精準(zhǔn)穩(wěn)定輸出搭配智能控制系統(tǒng)，并結(jié)合短路及過(guò)流過(guò)壓過(guò)熱保護(hù)功能模塊設(shè)計(jì)、整流電路以及自動(dòng)校準(zhǔn)模塊，制作出可輸出預(yù)置序列的新型程控電源。解決了現(xiàn)今電源無(wú)可預(yù)置序列輸出的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了可在智能和手動(dòng)兩方面控制的穩(wěn)定輸出恒流恒壓、預(yù)置時(shí)間序列的電壓電流，其具有輸出穩(wěn)定、操作方便、界面簡(jiǎn)潔、自動(dòng)校準(zhǔn)、適應(yīng)性強(qiáng)、誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可更好地為工業(yè)電子、電子儀器、工業(yè)測(cè)試設(shè)備等供電，適用于設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造等自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域，是一種可在自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域提供激勵(lì)和測(cè)試的輸出可控的穩(wěn)壓電源。

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