數(shù)控直流穩(wěn)壓電源專業(yè)設(shè)計
穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或穩(wěn)定直流電源的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用非常廣泛，但只有質(zhì)量優(yōu)良的直流穩(wěn)壓電源，才能滿足各種電子設(shè)備的要求。本文利用單片機數(shù)字控制技術(shù)，采用PWM進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，設(shè)計出一款性價比高的多功能數(shù)字化通用直流穩(wěn)壓電源。該設(shè)計除了具有對電壓的數(shù)字控制功能外，還可實時監(jiān)測實際電壓、電流輸出，效率高，穩(wěn)定度強。同時，該設(shè)計具有調(diào)節(jié)精度高、功能多、液晶實時監(jiān)測顯示等諸多優(yōu)點。
1 電源組成及工作原理
數(shù)控直流穩(wěn)壓電源主要由整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、采樣電路、PWM控制電路、鍵盤電路、顯示電路和主控電路構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
一般而言，現(xiàn)在的數(shù)控直流電源按工作原理分為三類，分別為開關(guān)電源，相控電源和線性電源。這三類電源各有自身的優(yōu)缺點。就數(shù)字控制部分而言，這些電源的控制方式是一致的，即脈寬控制。因線性電源穩(wěn)壓精度較高，輸出紋波電壓也較低，在這里主要討論線性電源的設(shè)計。
數(shù)控電源的工作原理是將輸入的交流電源經(jīng)變壓后，整流濾波，通過PWM調(diào)節(jié)三端穩(wěn)壓器(開關(guān)電源為開關(guān)管)來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的目的。然后通過A／D采樣，將數(shù)據(jù)交由單片機處理，利用閉環(huán)調(diào)節(jié)來保證穩(wěn)定可控的輸出。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2．1 整流濾波電路
電源很重要的一個性能指標(biāo)就是紋波系數(shù)，期望紋波系數(shù)越小越好。為了獲得更低的輸出紋波，在電路的輸入與輸出端設(shè)計了濾波電路。輸入級濾波電路如圖2所示。
該電路輸入電壓為30 V交流，橋堆承受的最大反向電壓為，但考慮到采用的市電有升高的情況，需再乘以市電的升高值，一般市電升高10％的情況，則：。濾波電路是以穩(wěn)壓電路為負(fù)載的，可以認(rèn)為是恒流放電，則濾波電容的容量為C=IcT／ △Uc，因采用的是橋式整流電路，故最大放電時間可取交流電源的半周，本處三端穩(wěn)壓器最大負(fù)載電流為1500mA，則 =3750 μF。電容的耐壓值Ucm應(yīng)按照市電電壓升的最大值，以及負(fù)載為空載時的情況來進行選擇，即：Ucm=。為留有一定余量，電容取50V／4700μF。
2．2 PWM穩(wěn)壓控制電路
PWM穩(wěn)壓控制單元電路如圖3所示。
PWM穩(wěn)壓電路中，直接用PWM的輸出經(jīng)RC濾波后送到LM317的調(diào)節(jié)端，但是如果采用這種控制方式不是很穩(wěn)定，一定要有一種回饋才能保證輸出電壓的穩(wěn)定。該設(shè)計采用的是用A／D獲取到的當(dāng)前輸出電壓值，通過算法處理來改善動態(tài)性能。
在通過RC濾波時，要根據(jù)實際應(yīng)用合理調(diào)節(jié)R和C的值，在保證濾波效果時，保證盡量小的時間常數(shù)。該電路采用的是RCπ型濾波，容值根據(jù)實際電路調(diào)整。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
數(shù)控電源的軟件與硬件高度結(jié)合，是影響數(shù)控電源響應(yīng)速度，輸出穩(wěn)定性，擴展能力的關(guān)鍵因素，該設(shè)計軟件部分包括A／D采樣、PWM控制、鍵盤輸入、液晶顯示和運算這幾個模塊。流程圖如圖4所示。
PWM閉環(huán)控制軟件程序：
為防止電源上電瞬間輸出未知，從而產(chǎn)生誤操作的情況，系統(tǒng)軟件設(shè)置上電輸出電壓為0 V，用戶可以通過按鍵來控制輸出電壓信號。同時，運用單片機對信號進行處理，從而達(dá)到調(diào)節(jié)PWM輸出。電源系統(tǒng)通過A／D采樣電壓電流值，與用戶設(shè)定值作比較，按照閉環(huán)控制算法來使輸出符合要求，同時將輸出結(jié)果及實時運行情況通過液晶顯示來反映。
4 測試及結(jié)果分析
該設(shè)計通過調(diào)節(jié)PWM脈寬寬度來改變輸出電壓，脈寬從0％～100％，輸出從1．5 V變化到30 V。當(dāng)PWM脈沖寬度為60％時，輸出為17．97 V，與預(yù)設(shè)的18 V基本一致，符合設(shè)計要求，滿足實際使用。其輸出直流電壓與PWM控制波形如圖5所示。
5 結(jié)語
基于STC12C5410AD的數(shù)字電源設(shè)計，充分利用了半導(dǎo)體芯片的優(yōu)勢，使電路穩(wěn)定，簡潔，可靠。實際電路樣品經(jīng)測試，輸出穩(wěn)定、負(fù)載能力好、精度高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。通過修改程序可實現(xiàn)一次設(shè)計，反復(fù)使用，并易于擴展，因此具有很好的應(yīng)用價值。