王春會(huì)，陳國(guó)明，王金圓

(朝陽(yáng)師范高等專科學(xué)校 信息工程系，遼寧朝陽(yáng)122000)

0 引言

廣大科研人員在進(jìn)行電子產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，防止電源帶來的干擾，都傾向于使用高壓線性電源供電，但是高壓線性電源由于自身的缺點(diǎn)需要使用人員在使用中極為小心，防止發(fā)生過流、短路等情況發(fā)生.能否在線性電源中加入保護(hù)電路，使之能維持現(xiàn)有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服其自身的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)階段電源生產(chǎn)廠家必須考慮的難題.本文利用單片機(jī)功耗小、電路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，將單片機(jī)運(yùn)用到高壓線性電源中，隨時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的有效保護(hù).

1 高壓線性電源構(gòu)成框圖及穩(wěn)壓原理

高壓線性電源整體構(gòu)成框圖如圖1所示，首先將市電轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的交流電壓，整流濾波后，得到非穩(wěn)定的直流電壓，再利用工作于線性狀態(tài)的調(diào)整管，根據(jù)大環(huán)路反饋返回來的代表輸出電壓的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓相比較得到的誤差電壓調(diào)整自身的導(dǎo)通程度，穩(wěn)定輸出電壓.保護(hù)電路隨時(shí)監(jiān)測(cè)電源工作狀態(tài)，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù).

整機(jī)原理圖如圖2所示，穩(wěn)壓原理如下：變壓器B1將市電轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕返蛪航涣麟姡宦方?jīng)D3整流、C8濾波為主輸出電路供電，該路輸出電壓大于設(shè)計(jì)最高輸出電壓2 V，輸出電流大于額定輸出電流，另一路經(jīng)D1整流、C1C2濾波再經(jīng)U1穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的12 V電壓為控制電路供電，同時(shí)經(jīng)過U5穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的5 V電壓為單片機(jī)供電(注：兩路輔助供電的負(fù)極接主電路輸出正極).

Q2為輸出調(diào)整管，改變自身導(dǎo)通程度，輸出電壓隨之改變.電源上電后，控制電路得電進(jìn)入工作狀態(tài)，R1、D2形成5 V基準(zhǔn)電壓，一方面經(jīng)R3、R7分壓得到過流保護(hù)的基準(zhǔn)電壓，提供給運(yùn)放LM358的一個(gè)運(yùn)放的反相端6腳，與檢流電阻R13上取出的代表整機(jī)輸出電流的送至同相端5腳的電壓相比較，比較結(jié)果由7腳輸出，通過圖中參數(shù)可以計(jì)算得出輸出最大電流與R7的關(guān)系為：

R7=10*I0/(100-I)

另一方面經(jīng)過R4、R8分壓，作為輸出電壓基準(zhǔn)送至運(yùn)放LM358的另一個(gè)運(yùn)放的反相端2腳，與R5、R9、RADJ分壓得到的送至同相端3腳的電壓相比較，比較結(jié)果由1腳輸出，控制調(diào)整管Q1的導(dǎo)通程度，進(jìn)而穩(wěn)定輸出電壓，按照?qǐng)D中參數(shù)可以得出輸出電壓和RADJ的關(guān)系為：

RADJ=2.04UO

調(diào)節(jié)RADJ即可實(shí)現(xiàn)電源從0 V連續(xù)調(diào)至最高電壓(低于輸入電壓2 V).

當(dāng)輸出電流過流時(shí)，檢流電阻上的電壓使運(yùn)放LM358同相端5腳的電壓高于反相端6腳的電壓，7腳輸出高電平經(jīng)過D5、R6使Q1導(dǎo)通，調(diào)整管Q2的G極電壓降低，導(dǎo)通程度減弱，輸出電壓變小，電流下降，從而使輸出電流穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值.

這部分電路與其他成品線性電源電路核心原理基本一致，都是讓調(diào)整管工作于線性狀態(tài)來達(dá)到穩(wěn)壓的目的.電路設(shè)計(jì)完成后讓單片機(jī)不工作，在正常電流范圍內(nèi)，輸出電壓連續(xù)可調(diào)，使用無問題，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求.但是，在高電壓輸入、較低電壓輸出的狀態(tài)下過流時(shí)，很短時(shí)間內(nèi)調(diào)整管嚴(yán)重發(fā)熱，甚至擊穿損壞，如果短路，僅幾十秒時(shí)間調(diào)整管便由于超功率擊穿損壞，這與其他線性電源在使用中遇到的問題相同.本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將輔助供電疊加在輸出電路之上，從而實(shí)現(xiàn)電源從0 V起調(diào).

2 高壓線性電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 保護(hù)電路構(gòu)成及工作原理

圖3所示電路中，保護(hù)電路就是基于主電路的上述缺點(diǎn)而引入的.為了減小電源體積，節(jié)省成本，本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)為STC15F104W[1]，是STC51系列單片機(jī)的一種，STC的8腳單片機(jī)有直插和SOP兩種形式的封裝，其中有6個(gè)I/O口，剩下2個(gè)是VCC和GND ，不需要帶晶振，內(nèi)部自帶有時(shí)鐘發(fā)生電路[2].這6個(gè)I/O口實(shí)際上是普通51單片機(jī)上的P3口，除P3.1外，其他引腳均有復(fù)用功能,分別是5個(gè)外部中斷，3個(gè)時(shí)鐘輸出，1個(gè)復(fù)位輸入[3].芯片不需要復(fù)位電路，上電自復(fù)位，也可以通過軟件來選擇引腳作為復(fù)位腳.同時(shí)該種單片機(jī)內(nèi)都有4k的EEPROM[4].

單片機(jī)隨時(shí)監(jiān)測(cè)電源輸出電流.無過流現(xiàn)象時(shí)，單片機(jī)無輸出，對(duì)整機(jī)無影響；一旦有過流現(xiàn)象(LM358輸出高電平)，數(shù)秒后(根據(jù)客戶要求設(shè)定或根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)設(shè)定)單片機(jī)輸出脈沖電壓，經(jīng)過U7(SN74LVC2G14DC)反相后使Q3工作于開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制調(diào)整管Q2工作于間歇狀態(tài)，一旦過流故障解除，電源恢復(fù)正常輸出.

電流搭接完成經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)思路完全吻合，負(fù)載為容性或感性時(shí)，均沒有出現(xiàn)問題，長(zhǎng)時(shí)間過流和短路，電源均無損壞，保護(hù)電路完全可以對(duì)電源起到保護(hù)作用.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)想思路，設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示.

根據(jù)流程圖，采用C語(yǔ)言編譯源程序如下：

#include

"reg51.h"#include

"intrins.h"#define

MAIN_Fosc 22118400L //定義主時(shí)鐘typedef

unsigned char u8;typedef

unsigned int u16;typedef

unsigned long u32;sbit OUT = P3^5;

// 延時(shí)關(guān)斷sbit IN = P3^4;

// 檢測(cè)過流

/************* 本地變量聲明 **************/

u8 b;

u8 c;

u8 e;

u16 f;

void delay(u16);

//1S延時(shí)void main(void)

{

IN = 1;

OUT = 1;

//加反相器了 b = 0;

while(1)

{

if(IN == 0)

{

if((IN == 0)&&(b == 0))

{

delay(2000);

//延時(shí)1s 恒流 b = 1;

}

OUT = 0;

//加反相器了 delay(500);

OUT = 1;

delay(30);

//導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，短路時(shí)功耗大 }

if(IN == 1)

//恢復(fù)時(shí)，b置0 {

b = 0;

}

}

}

void delay(u16 xms)

//延時(shí)1s{

u16 i,j;

for(i=xms;i>0;i--)

//i=xms即延時(shí)約xms毫秒：根據(jù)客戶要求改動(dòng) for(j=1100;j>0;j--);

}

3 產(chǎn)品特性測(cè)試

拉偏測(cè)試:調(diào)節(jié)輸入電壓,輸出電壓調(diào)至24 V,帶5 A負(fù)載,測(cè)試結(jié)果如表1所示.短路測(cè)試:在輸入220 V輸出7V情況下，將輸出短路，測(cè)得輸出電壓波形如圖5～圖8所示.

表1 拉偏測(cè)試參數(shù)輸入電壓/V輸出電壓/V輸出電流/A紋波/mV17624.0052.0022024.0151.89 24224.0251.68

經(jīng)過連續(xù)2 h短路，電源幾乎無溫升，未見其他異常.

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過實(shí)際使用證明，加入單片機(jī)控制的線性電源可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)整機(jī)輸出電流，一旦出現(xiàn)過流，為了確保能帶感性或容性負(fù)載，克服其浪涌電流，單片機(jī)控制電源以最大電流輸出1～3 s(根據(jù)客戶要求或負(fù)載改動(dòng))，感性或容性負(fù)載如能在該時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，電流恢復(fù)正常，則電源也恢復(fù)正常工作，反之，電源進(jìn)入脈動(dòng)輸出狀態(tài).與此同時(shí)隨時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流是否恢復(fù)正常，當(dāng)輸出電流恢復(fù)至額定電流以下時(shí)，電源又開始正常工作.成品電源經(jīng)測(cè)試、老化、實(shí)用均未出現(xiàn)普通線性電源可能出現(xiàn)的問題.交付使用后，客戶反映相較于原來使用的電源，電源性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，帶感性和容性負(fù)載也不會(huì)出現(xiàn)一般線性電源的“打嗝”現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間過流和短路電源無溫升，整機(jī)功耗很小.