重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 麗

精密數(shù)控直流電源的設(shè)計(jì)

重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 麗

設(shè)計(jì)了一種以串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源為主體、以單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心的可調(diào)型數(shù)控電源,實(shí)現(xiàn)了電壓從0V起調(diào),最高24V輸出。著重介紹了數(shù)控直流電源的總體方案及主要電路的設(shè)計(jì)方法,結(jié)果表明該電影具有輸出性能穩(wěn)定的特點(diǎn),具有一定的實(shí)用價(jià)值。

開(kāi)關(guān)電源;單片機(jī);直流電源

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,電源作為電器設(shè)備的供電電路,也在不斷的發(fā)展和完善中。電路系統(tǒng)需要有電源的帶動(dòng)才能使各模塊運(yùn)行起來(lái),所以電源在電路系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。電源的種類繁多,包括直流穩(wěn)壓電源、直流恒流電源、交流穩(wěn)壓電源等。數(shù)控電源是近年來(lái)不斷研究和發(fā)展的新方向,它在傳統(tǒng)電源的基礎(chǔ)上增加了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字控制部分,克服了普通電源只能輸出恒定電壓值的缺點(diǎn),即它能在其他硬件設(shè)備的支持下通過(guò)單片機(jī)編程來(lái)改變電壓的輸出范圍和步進(jìn)系數(shù)。由于具有靈活控制能力、良好的控制性能和強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn),使得數(shù)控電源成為電源發(fā)展的主流。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用AVR單片機(jī)作為開(kāi)關(guān)電源的控制核心,其工作原理是:利用AVR單片機(jī)片上集成A/D,不斷檢測(cè)電源的輸出電壓,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差,輸出調(diào)整信號(hào)給D/A變換器MAX531,通過(guò)負(fù)反饋直接比例控制輸出電壓大小。電路主要部分包括整流濾波模塊、輸出負(fù)反饋控制模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、LCD液晶顯示模塊等。

3 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中,主功率輸出芯片采用串聯(lián)型(Buck)集成開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576,它是一種以開(kāi)關(guān)方式工作的直流穩(wěn)壓電源,具有高效率、體積小等特點(diǎn),廣泛用應(yīng)于電子、通信設(shè)備等領(lǐng)域。采用了以AVR Atmega16單片機(jī)為核心控制輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源的解決方法。數(shù)控電源主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

(1)輸出電壓可調(diào)范圍 0～24V,調(diào)整步進(jìn)0.1V;

(2)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓大小要求反饋DA精度在0.01V,并進(jìn)行負(fù)反饋控制,保持輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

(3)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流大小,電流超過(guò)額定值時(shí)報(bào)警,并切斷主電路供電。

(4)人機(jī)界面要簡(jiǎn)潔、實(shí)用、便于操作。可實(shí)時(shí)顯示電壓電流相關(guān)信息。

(5) PCB設(shè)計(jì)要滿足規(guī)范、布局合理、不違反規(guī)則。

3.2 設(shè)計(jì)方案選擇

滿足以上指標(biāo)的主電源電路可以選擇線性模擬輸出或者開(kāi)關(guān)電源輸出。

圖1 數(shù)控電源主電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 LM2576開(kāi)關(guān)電源主電路圖

圖3 0V起調(diào)電壓轉(zhuǎn)化電路

采用線性電路,由于功率管時(shí)時(shí)刻刻都出去導(dǎo)通狀態(tài),管子上功耗自然就大。24V 3A輸出時(shí)輸出功率24*3=72W,線性電源效率在0.5以下,故變壓器提供總功率在72/0.5=144W以上。大功率變壓器價(jià)格自然就高,笨重不便于攜帶,且這對(duì)降低成本是不利的。本系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源作為主電路,如圖2所示。

3.3 數(shù)控電源主電路元器件的選取

(1)輸入、輸出電容CIN、COUT

選擇低ESR的鋁或鉭電容作為旁路電容,防止在輸入端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓。最終確定選擇1000μF。

(2)輸出電容COUT

按照手冊(cè),輸出電容作用與輸出濾波并保持電路穩(wěn)定。從紋波的角度講電容的值越大、ESR值越小越好。本系統(tǒng)選擇耐壓值為50V的2200uf電容。

(3)電感L1值的計(jì)算及選定

根據(jù)LM2576的數(shù)據(jù)手冊(cè)給定,根據(jù)設(shè)計(jì)VOUT=0-24V,參考數(shù)據(jù)手冊(cè),選擇額定電流值為3A、電感值為150uh的磁芯電感。

(4)續(xù)流二極管的選擇

參考數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇耐壓值為40V的快速恢復(fù)型肖特基二極管1N5822.

(5)電壓轉(zhuǎn)換電路

設(shè)計(jì)的0V起調(diào)電路如圖3所示。

在圖中三個(gè)運(yùn)放分別工作在電壓跟隨器、反相放大狀態(tài)及反相放大狀態(tài)。VDA是DA轉(zhuǎn)換芯片MAX531輸出的電壓,范圍是0V-4.096V。VCOUT接電阻分壓器,控制電壓比例輸出。VADJ接LM2576的ADJ端,穩(wěn)定時(shí)應(yīng)該保持在1.23V。2.5V電壓基準(zhǔn)是由基準(zhǔn)源芯片TL431提供。 三個(gè)運(yùn)放都工作在負(fù)反饋的狀態(tài)下,滿足虛短、虛斷的近似條件。

3.4 A/D及D/A模塊設(shè)計(jì)

主控制芯片采用AVR系列的ATmega16單片機(jī),最大輸出電壓為24V,分辨率為0.1V,所以A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有24/0.1=240以上的量化單位,28=256,即最小選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器。主控制單片機(jī)選擇了ATmega16,該單片機(jī)片上自帶10位的A/D轉(zhuǎn)換器,這對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常有利的。

D/A輸出芯片選擇美信公司的MAX531.設(shè)計(jì)要求調(diào)壓步進(jìn)0.1V輸出電壓為0-24V,因此最小有24/0.1=240個(gè)量化等級(jí)。選擇八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片即可以滿足設(shè)計(jì)要求,28=256.但是設(shè)計(jì)時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)更高的控制精度。所以選擇了MAX531.

MAX531輸出 0-4.096V,對(duì)應(yīng)的數(shù)字量分別為:

二進(jìn)制0000 0000 0000 - 1111 1111 1111

所以1LSB表示的電壓為4.096/4095=0.001V,按照主電源的電壓輸出6倍的關(guān)系,所控制的最小模擬量為0.006v,此值即為本設(shè)計(jì)的電源精度。

4 系統(tǒng)測(cè)試

(1)最大輸出電流測(cè)試

最大電流測(cè)試結(jié)果表明:低壓段的電流輸出值很大,可以達(dá)到3.3A以上。高壓輸出時(shí),電源大電流的性能有所下降。

(2)負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

由上表得出結(jié)論:該電源的線性調(diào)整率較為平穩(wěn),在低壓和高壓輸出段都保持著不錯(cuò)的帶負(fù)載能力,高電壓輸出時(shí)負(fù)載調(diào)整率略有下降。

(3)其他指標(biāo)測(cè)試

主電源的效率:根據(jù)開(kāi)關(guān)電源LM2576的數(shù)據(jù)手冊(cè),該芯片的效率固定為77%。

整板功耗:經(jīng)測(cè)量,空載時(shí)整板功耗為3W左右。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)出的小功率數(shù)控直流電源,可以克服使用傳統(tǒng)PWM方式開(kāi)關(guān)電源硬件復(fù)雜、不易控制、紋波較大的缺點(diǎn)。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際要求,合理選用功率器件。測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)輸出工作電壓范圍、負(fù)載調(diào)整率、紋波電壓等參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

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張麗(1981-),女,工學(xué)碩士,講師,通信工程師,重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣學(xué)院教師,研究方向:電子技術(shù)及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。