一種數(shù)控直流電流源的設(shè)計(jì)

周建國(guó) 彭志雄

摘 要：數(shù)字控制電源是根據(jù)普通電源的缺陷改進(jìn)的，數(shù)字化的電源可降低產(chǎn)品應(yīng)用中的非確定因素和人為影響的環(huán)節(jié)，能很好的滿足電源產(chǎn)品中的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換效率和可靠性等技術(shù)性指標(biāo)，大幅增強(qiáng)了產(chǎn)品效率和使用壽命。本設(shè)計(jì)以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，用數(shù)-模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出模擬參考電壓，以該參考電壓控制電壓轉(zhuǎn)換芯片LM350K的輸出電壓。設(shè)計(jì)可靠，精度高。

關(guān)鍵詞：數(shù)控電流源；STC89C52；DAC0832；電壓轉(zhuǎn)換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.108

0 引言

電源技術(shù)，特別是數(shù)控電源技術(shù)是一門工程性很強(qiáng)的技術(shù)科學(xué)，該技術(shù)應(yīng)用于各種行業(yè)。電力電子技術(shù)是數(shù)控電源的最佳應(yīng)用場(chǎng)合之一。現(xiàn)代電源技術(shù)融合了電氣工程、電子信息、控制工程、材料科學(xué)等諸多學(xué)科。以半導(dǎo)體和通信技術(shù)為先導(dǎo)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，為電力電子技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)電源技術(shù)提出了更高的要求。數(shù)字化電源具有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）更加容易用高效的控制算法和智能化的控制策略，使數(shù)字電源的具有更高的智能化，擁有更強(qiáng)悍的性能。

（2）系統(tǒng)使用靈活，升級(jí)便捷，穩(wěn)定性更高，易于標(biāo)準(zhǔn)化；系統(tǒng)維護(hù)方便，一致性好，性價(jià)比高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)方便。

（3）各系統(tǒng)間容易組合成高可靠性的多模并聯(lián)運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)。易于在各子系統(tǒng)之間更好地進(jìn)行控制和通信。

1 系統(tǒng)主體方案設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)供電電源部分。系統(tǒng)供電采用線性電源的供電方案。交流電壓經(jīng)橋式電路整流濾波輸出，直接進(jìn)入穩(wěn)流電路。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，并且調(diào)試起來(lái)比較方便，只是功率損耗稍大，但是在這種小型非連續(xù)工作電源中這些功率損耗可以承受。

（2）穩(wěn)流部分。穩(wěn)流部分采用單閉環(huán)負(fù)反饋的方案，在穩(wěn)流部分加入一個(gè)負(fù)反饋，在DAC0832輸出電壓值之后與LM350K輸出電壓相比較，使其產(chǎn)生誤差信號(hào)，運(yùn)用負(fù)反饋原理降低誤差，使輸出性能較理想。電路連接圖如圖1所示：

2 主要元器件選擇

（1）HD7279A與8279。鍵盤輸入控制和發(fā)光二極管顯示控制這兩種功能，僅依靠單塊8279芯片就能實(shí)現(xiàn)。但8279也有它的缺陷，對(duì)于LED顯示不具驅(qū)動(dòng)能力，還要增加外部顯示驅(qū)動(dòng)，這不僅使電路的復(fù)雜性增加，而且占用了許多寶貴的I/O口。

本設(shè)計(jì)采用HD7279A芯片來(lái)代替8279，產(chǎn)生了良好的反饋。8279的大部分功能都能由這款芯片實(shí)現(xiàn)，且解決了8297的缺陷。HD7279A的主要功能有：能同時(shí)驅(qū)動(dòng)64只獨(dú)立的發(fā)光二極管，具有兩種譯碼方式，能控制多達(dá)64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤，由于采用串行接法，大大節(jié)約了單片機(jī)的I/O口，尤其適合在不使用總線控制的內(nèi)嵌ROM，僅使用單片機(jī)上的I/O接口的情況。這樣既能節(jié)約大量的布線區(qū)域，又使電路設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，使儀表的微型化得到進(jìn)一步的發(fā)展。

（2）LM317與LM350K。LM317在輸出電壓范圍為1.2～37V時(shí)可以提供1.5A的電流，本產(chǎn)品要求的最大電流為2A，所以必須用兩個(gè)LM317并聯(lián)，但是由于并聯(lián)后兩個(gè)LM317工作電流負(fù)載不均衡，使電路穩(wěn)定性降低。

鑒于以上原因，本設(shè)計(jì)采用了單片LM350K。LM350K可以提供最大為5A電流，滿足本設(shè)計(jì)要求，而且不存在兩片芯片同時(shí)運(yùn)行中所產(chǎn)生的不同步問(wèn)題，故性能比較優(yōu)良，并且電路的可靠性增強(qiáng)。主電路的原理是通過(guò)STC單片機(jī)控制D/A芯片的輸出模擬電壓幅值，然后經(jīng)過(guò)放大器，為電壓轉(zhuǎn)換芯片提供最終輸出的參考電壓。實(shí)際的電壓、電流還是由電壓轉(zhuǎn)換芯片LM350K輸出，為了使輸出電流達(dá)到2A，LM350K必須選用金屬外殼封裝，并且安裝合適的散熱片。

3 電路設(shè)計(jì)

（1）鍵盤與顯示部分。本部分選用HD7279A，該芯片單片就可以完成LED顯示，實(shí)現(xiàn)鍵盤接口的全部功能。通過(guò)鍵盤輸入電流給定值（程序設(shè)定最小值20mA，最大值2000mA），運(yùn)行程序后，液晶顯示器前四位顯示實(shí)際輸出值（此功能通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)），后四位顯示給定值。

（2）控制部分。該部分采用宏晶科技的STC89C52單片機(jī)作為控制核心，控制器的P0口和數(shù)-模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的數(shù)據(jù)口連接，DAC0832的/CS端接P2^3，/WR1接P3^6，/WR2接地，讓DAC工作在雙緩沖方式下。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使LM350K的輸出電壓為5.12V，因此在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=2mV，也就是說(shuō)D/A輸入數(shù)據(jù)端每增加1，輸出電壓增加2mV。

運(yùn)算放大器OP07CP的輸入端接在DAC的電壓輸出端，設(shè)計(jì)放大器的放大倍數(shù)為10，輸出到電壓轉(zhuǎn)換芯片LM350K的電壓分辨率為2mV×10=20mV。所以，當(dāng)單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)增加1的時(shí)候，最終輸出電壓增加10mV，當(dāng)調(diào)節(jié)電壓的時(shí)候，能夠以每次10mV的梯度增加或者降低電壓。

（3）電源部分。該部分輸入電壓為220V～240V，頻率為50Hz，經(jīng)過(guò)變壓器降壓至15V，經(jīng)過(guò)電橋整流為直流。電壓采樣用兩個(gè)0.5 Ω的采樣電阻，LM350K用于電壓的調(diào)節(jié)與輸出。給定值經(jīng)過(guò)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換控制輸出電流，后經(jīng)電流-電壓變換芯片控制電壓輸出，最終經(jīng)過(guò)OP07CP的電壓比較反饋給LM350K進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

該數(shù)控直流電流源經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)證明，具有高精度，高可靠性，低成本等特點(diǎn)。只需要增加電流測(cè)量和顯示電路就是一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的產(chǎn)品，這部分電路還請(qǐng)讀者閱讀相關(guān)參考文獻(xiàn)。在本文中主要是對(duì)如何控制輸出功率與電壓大小舉出典型示例，本電路可以拓展到測(cè)控技術(shù)以及電力拖動(dòng)等領(lǐng)域使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚慶亮.基于單片機(jī)的數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)[M].安徽：工程科技學(xué)院，2009：57-96.

[2]陳凱良，竺樹聲.恒流源及其應(yīng)用電路[M].浙江：科學(xué)技術(shù)出版杜，1992：124-156.

[3]黃智偉.大學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：46-63.

[4]李全利編著.《單片機(jī)原理及應(yīng)用》[M].北京：高等教育出版社，2000：36-103.

作者簡(jiǎn)介：周建國(guó)（1995-），男，在讀本科，研究方向：MCU應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。