基于單片機的數控直流穩壓電源設計

隨著(zhù)新型電力電子器件和適于更高開(kāi)關(guān)頻率的電路拓撲的不斷出現，傳統應用技術(shù)，由于功率器件性能的限制使開(kāi)關(guān)電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術(shù)，可使功率開(kāi)關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài)，為了提高開(kāi)關(guān)電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源，十分必要。

　　1、幾種數控直流穩壓電源設計方案比較

　　1.1幾種設計方案電路原理

　　方案 1 : 采用模擬的分立元件，利用純硬件來(lái)實(shí)現功能，通過(guò)電源變壓器、整流濾波電路以及穩壓電路，實(shí)現穩壓電源穩定輸出±5 V、 ±12 V、±15 V并能可調輸出 0~ 30 V電壓，見(jiàn)圖 1所示。但由于模擬分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，因此所設計的指標不高、不符合設計要求、且使用的器件較多、連接復雜、靈活性差、功耗也大，同時(shí)焊點(diǎn)和線(xiàn)路較多，使成品的穩定性和精度受到影響。

圖 1 方案 1電路原理

　　方案 2 : 此方案采用傳統的調整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套雙計數器完成系統的控制功能，其中二進(jìn)制計數器的輸出經(jīng)過(guò) D /A 變換后去控制誤差放大的基準電壓，以控制輸出步進(jìn)。十進(jìn)制計數器通過(guò)譯碼后驅動(dòng)數碼管顯示輸出電壓值，為了使系統工作正常，必須保證雙計數器同步工作。

圖 2 方案 2電路原理

　　方案 3 : 此方案不同于方案 1之處在于使用一套十進(jìn)制計數器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為 EPROM的地址輸入，而由 EPROM 的輸出經(jīng) D /A變換后控制誤差放大同步的問(wèn)題，但由于控制數據燒錄在 EPROM中，使系統設計靈活性降低。

圖 3 方案 3電路原理

　　方案 4 : 此方案采用 51系列單片機作為整機的控制單元，通過(guò)改變輸入數字量來(lái)改變輸出電壓值，從而使開(kāi)關(guān)控制電源輸出電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統具備檢測實(shí)際輸出電壓值的大小，經(jīng)過(guò) ADC0809進(jìn)行模數轉換，間接用單片機實(shí)時(shí)對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數據處理。利用單片機程控輸出數字信號，經(jīng)過(guò) D /A 轉換器( DA0830)輸出模擬量，再經(jīng)開(kāi)關(guān)電源控制電路，使得輸出電壓達到穩壓的目的。單片機系統還兼顧對恒壓源進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，輸出電壓經(jīng)過(guò)電流 /電壓轉變后,通過(guò) A /D轉換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉化為數據量,經(jīng)單片機分析處理，經(jīng)過(guò)數據形式的反饋環(huán)節，使電壓更加穩定，構成穩定的壓控電壓源。而且采用PWM 控制的開(kāi)關(guān)電源，該電源具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開(kāi)關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。而且在成本上與同等功率的線(xiàn)性穩壓電源相當，而電源效率顯著(zhù)提高，體積和重量則大為減小。

圖 4 方案 4電路原理

　　2、 方案的比較與論證

　　( 1)輸出模塊

　　方案 1：采用線(xiàn)性調壓電源，以改變其基準電壓的方式使輸出不僅增加 /減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出地影響，此輸出只能是用萬(wàn)用表量出。而方案 2、方案 3中使用運算放大器做前級的運算放大器，由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以減少輸出端的紋波電壓。在方案 1中，為抑制紋波而在線(xiàn)性調壓電源輸出端并聯(lián)的大電容降低了系統的響應速度，這樣輸出的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案 4中的輸出電壓波形與 D /A 變換輸出波形相同，不僅可以輸出直流電平，而且只要預先生成波形的量化數據，就可以產(chǎn)生多種波形輸出，使系統有一定驅動(dòng)能力的信號源。

　　( 2)數控模塊

　　方案 1利用純硬件來(lái)控制電壓的輸出，其中最基本的電路原理分析，需要計算負載的大小，穩壓管的選擇有關(guān)，方案 2、方案 3中采用中、小規模器件實(shí)現系統的數控部分，使用的芯片很多，造成電路內部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差，如方案 1中的雙計數器一旦出現計數不同步時(shí)，會(huì )導致顯示電壓與輸出電壓不一致。在方案 4 中采用AT89C51單片機完成整個(gè)數控部分的功能，同時(shí),AT89C51作為一個(gè)智能化的可編程器件，便于系統功能的擴展。

圖 5 方案 5數控模塊

　　( 3)控制模塊

　　在該系統中，采用具有 D /A轉換功能的 PWM 調節電路、斬波電路、闊流器和可調穩壓管 ( LM317)去控制輸出參考電壓，在利用 A /D轉換采樣，使輸出更準確，且紋波小，電流亦可擴展，容易保護電路。

　　( 4)顯示模塊

　　方案 2、方案 3中的顯示輸出地對電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出，顯示值為 D /A變換的輸入量，由于 D /A變換與功率驅動(dòng)電路引入的誤差，顯示值與電源實(shí)際輸出值之間可能出現較大偏差。方案4中采用 A /D轉換電路，通過(guò)對輸出電壓的采樣，經(jīng)過(guò)單片機的分析處理，通過(guò)數據的反饋環(huán)節，使電壓更加穩定，這樣使得顯示值與實(shí)際輸出之間的偏差減為最小。方案 4采用 4位數字電壓表直接對輸出電壓采樣并顯示輸出實(shí)際電壓值，一旦系統工作異常，出現預制值與輸出值偏差過(guò)大，用戶(hù)可以根據該信息予以處理，還采用了鍵盤(pán) /顯示器的查詢(xún)時(shí)間，提高了CPU的利用率。

　　3、結束語(yǔ)

　　如前所述，雖然方案 3比前兩者有許多優(yōu)點(diǎn)，但方案 1、方案 2對于完成設計要求并非不可行，而且在某些方面還具有優(yōu)勢，之所以采用方案 4 ，一個(gè)很重要的考慮是系統使用了單片機，使得進(jìn)一步的功能擴展較為方便。