可視化直流穩壓電源的設計方案

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

　　本文介紹一種可視化直流穩壓電源系統，系統以STC89C52RC單片機監測電壓值，采用輸出端壓降方式計算電源輸出電流，并將電源電壓、電流值通過(guò)LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。電源部分采用開(kāi)關(guān)型穩壓電路和線(xiàn)性穩壓電路相結合的方法設計。

　　設計要求

　　可視化直流穩壓電源主要給實(shí)驗室等小功率電子設備提供工作電壓，在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+15%~-20%條件下應具備以下功能：

　?、佥敵鲭妷嚎烧{范圍為5V~12V；

　?、谧畲筝敵鲭娏鳛?.5A；

　?、垭妷赫{整率≤0.2%；

　?、茇撦d調整率≤0.1%；

　?、菪?ge;40%；

　?、蘧哂羞^(guò)流及短路保護功能；

　?、邔?shí)時(shí)顯示電壓、電流值。

　　可視化直流穩壓電源設計的關(guān)鍵在于穩壓以及電流、電壓的精確顯示。

　　設計方案

　　本系統以STC89C52RC為顯示模塊，主電路采用DC/DC變換器與線(xiàn)性調節器相結合的結構，既減小了輸出紋波電流，又降低了系統的功耗。系統采用雙積分A/D轉換器ICL7135實(shí)現輸出顯示，單片機系統通過(guò)對輸出電壓的檢測來(lái)讀取顯示電壓和電流值，并通過(guò)用LCD液晶顯示輸出電壓電流值。

　　硬件主電路系統的結構如圖1所示。220V、50Hz電壓通過(guò)變壓器降壓及整流濾波后得到所需直流電壓，該電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)電源電路實(shí)現電壓調節。電子濾波器進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)電源的輸出紋波。從電子濾波出來(lái)的電壓經(jīng)過(guò)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(guò)A/D轉換后送入單片機。單片機將輸出采樣電壓作為系統的輸出電壓送入LCD上顯示。同時(shí)單片機還將輸出采樣電壓與比較采樣電壓進(jìn)行減法運算，將壓降值通過(guò)精密電阻轉換為電流值也送入LCD顯示。

圖1 硬件主電路系統結構圖　　硬件系統

　　1電源主電路設計

　　主電路采用開(kāi)關(guān)電源（DC/DC變換器）和線(xiàn)性調整晶體管相結合的結構，電路原理如圖2所示。開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率（典型應用為100kHz），效率可達90%，芯片內部具有過(guò)熱保護、過(guò)流保護的功能，只需很少的外部元件就可構成大電流輸出的開(kāi)關(guān)電源。芯片的技術(shù)性能可以滿(mǎn)足設計要求。

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(kāi)關(guān)電源的輸入端。L4960的輸出電壓由下式計算：

　　Uo=UREF（1+R4/R3）=5.1×（1+R4/R3） （1）

　　系統要求輸出電壓能達到12V，考慮到線(xiàn)性調節部分的壓降，該電路的最高輸出電壓設計在15V左右。反饋引腳（2腳）引入到電子濾波器（線(xiàn)性調節器）回路，根據輸出電流和負載電阻的大小，自動(dòng)降低輸出電壓來(lái)減小線(xiàn)性調節器的功耗。R4采用10K電位器調節，由式（1）不難算出，當R3=1K時(shí)，U0 = 5.1~15V.

　　圖2中的電子濾波器（即線(xiàn)性調節器）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的達林頓晶體管TIP122，來(lái)提高低通濾波器帶負載的能力。圖2中C7的大小對濾波效果影響顯著(zhù)，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)響應較慢，故本設計中的C7取值為10μF.

　　需要指出，利用晶體管電子濾波器（亦稱(chēng)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為達林頓管VT1的電流放大系數。

　　該電子濾波器引入了對開(kāi)關(guān)電源電壓的控制功能，當負載電阻很小時(shí)需要較低的輸出電壓（如5V），如果U0保持15V不變，當輸出電流很大時(shí)（如2000mA），VT1的功耗會(huì )達到24W，必須為VT1安裝很大的散熱片。加入VT2和R5后，當調整管VT1的C-E結壓差過(guò)大（大約3個(gè)PN結壓降之和，即 2.1V）時(shí)，會(huì )使VT2導通，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。

　　在系統的輸出端設計了一個(gè)精密電阻，系統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。當然，系統對精密電阻的精度、功率、阻值溫度系數和分布參數各項指標都比較高，否則電流檢測準確度就會(huì )受到很大的影響。目前，金屬箔精密電阻的精度可達10-6，溫度系數可達±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(mǎn)足設計需要。　　2 顯示部分電路設計

　　本設計的控制核心使用AT89C51單片機，由于外部設備大多采用串行接口，單片機的外圍電路就十分簡(jiǎn)單，只要外接晶體振蕩器和復位電路即可。

　　顯示電路的設計如圖3所示，用89C52的P2口作為數據線(xiàn)，用P0.1、 P0.2、P0.3分別作為L(cháng)CD的E、R/W、RS.其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫(xiě)信號，RS是寄存器選擇信號本模塊設計要點(diǎn)如下：

　　顯示模塊初始化，首先清屏，再設置接口數據位為8位，顯示行數為1行，字型為5×7點(diǎn)陣，然后設置為整體顯示，取消光標和字體閃爍，最后設置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區中送字符，程序中采用2個(gè)字符數組，一個(gè)顯示字符，另一個(gè)顯示電壓數據，要顯示的字符或數據被送到相應的數組中，完成后再統一顯示。首先取一個(gè)要顯示的字符或數據送到LCD的顯示緩沖區，程序延時(shí)2.5ms，判斷是否夠顯示的個(gè)數，不夠則地址加一取下一個(gè)要顯示的字符或數據。

圖3 LCD與89C52的接口

　　3 通信電路模塊

　　89C52內部已集成通信接口URT，只需擴展一片MAX232芯片將輸出信號轉換成RS-232協(xié)議規定的電平標準即可。MAX232是一種雙組驅動(dòng)器/接收器，如圖4所示，每個(gè)接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉換為5V的TTL/CMOS電平。每個(gè)驅動(dòng)器將TTL/CMOS輸入電平轉換為EIA/TIA-232-E電平。EIA接口把5V轉換為 -8~-15V電位，0V轉換為8~15V，再經(jīng)RXD輸出，接收時(shí)由RXD輸入，把 -8~-15V電位轉換為5V，8~15V轉換為0V.

圖4 MAX232引腳功能圖　　軟件系統

　　系統主程序如下圖5所示。系統初始化端口，掃描電源輸出電壓（即輸出采樣電壓和比較采樣電壓），然后計算壓降進(jìn)而計算出電源輸出電流，再將電壓、電流輸出到端口，調用顯示子程序，顯示電壓、電流值。

圖5 主程序流程圖

　　顯示子程序如下圖6所示。顯示子程序是針對ICL7135A/D與單片機接口電路設計的軟件。程序開(kāi)始后設計顯示器，對LCDM1602B進(jìn)行一次清屏，使其各個(gè)指令、數據寄存器的值進(jìn)行清空，屏幕不顯示任何字符。然后進(jìn)行第一行位置的設置，顯示對應的“電流”、“電壓”等字符，再進(jìn)行第二行位置設置，顯示電壓、電流值。

圖6 顯示子程序流程圖

　　結束語(yǔ)

　　可視化直流電穩壓源除了具備傳統的穩壓電源的功能之外更是增加了電壓、電流的可視化功能，在使用過(guò)程中省去了檢測電流的繁瑣過(guò)程，簡(jiǎn)單、方便、快捷。本電源可以廣泛地應用于各類(lèi)電子實(shí)驗室，尤其是企業(yè)研發(fā)部門(mén)的實(shí)驗室，對于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期有很積極的意義。