數字穩壓電源系統設計

李 彬

（廣東理工學院，肇慶526100）

數字可調式穩壓電源是一種常見的精準控制電子設備，其內部是基于單片機來進行工作的。與數字可調式穩壓電源比較，傳統的穩壓電源存在著許多飽受詬病的缺點，例如穩壓控制精度較低、設備體積相對大、調節起來困難、電路構造復雜等[1]-[5]。為了可以更好地解決上述這些問題，可以考慮利用數字可調式穩壓電源進行處理。

1 整體方案設計

數字可調式穩壓電源的整體設計方案如圖1所示。單片機的作用相當于人類的大腦，核心的邏輯運算離不開它。該單片機與顯示電路以及PWM控制器相連接，接受來自A/D轉換電路跟鍵盤的數據指令。輔助電源電壓等級為5V，PWM控制器與DC-DC變換器連接，然后通過濾波器，輸出到U、I取樣當中，最后再通過A/D轉換部分，把數據傳回單片機。A/D轉換電路的作用是把來自U、I取樣系統的模擬信號轉變成數字信號，并經過濾波處理傳輸給DC-DC變換器。

圖1 數字可調式穩壓電源系統框圖

2 電路設計

DC-DC變換器采用大功率PNP型三極管TIP147。該三極管為電壓控制型元件場效應管，與常見的三極管有很大的不同，并且PNP三極管還是電流控制型元件[6]。除了具有噪聲小的優點外，場效應管還有像功耗低、不會發生二次擊穿的現象、輸入電阻相當之大、輻射跟溫度對其影響較小以及安全工作區域比較寬等優點。得益于這些優點，PNP型三極管最應該被用于低噪聲、高靈敏度的電路。如今PNP型三極管也成為三極管的重要代表類型，DC-DC設計電路如圖2所示。

數字穩壓電源系統采用了LC型π型濾波器，如圖3所示。雖然LC型π型濾波電路有著外特性較為軟、沖擊電流相當大的缺點，但它的輸出電壓脈動系數比僅僅只有LC濾波時更小一些，波形也更為平滑，輸出電壓也顯著提高。C8為可以濾除高頻信號的電容，實際情況中可以優先使用陶瓷型的。C12為濾波器輸出端的濾波電容，它在這里的作用是平滑濾波。C9、C10以及C11則是濾波器輸入端的濾波電容，同樣具有平滑濾波的作用。

圖2 DC-DC設計電路

由于該數字穩壓電源系統用的是STC12C5410AD型的單片機，它的A/D取樣的參考值為工作電源，也就是5V。如果輸出電壓大于5V，便無法正確測量輸出電壓，所以R11跟R12會構成一個分壓電路。每當輸出電壓為3～10V時，AD0處的電壓范圍就為0.6～2V，這樣就可以滿足A/D取樣的條件，輸出電壓取樣電路如圖4所示。

圖3 濾波電路設計

下圖5為輸出電流I取樣電路設計。圖中的U3A、U3B運算處理器為LM358，內部包含了兩個雙運算放大器，這兩個放大器不僅相互獨立，而且都具有高增益跟內部頻率補償。在實際的運用中，無論是單電源，還是雙電源模式，LM358都能輕松駕馭。因此，在設計過程中，采取放大倍數為50的LM358，此時設計方案最經濟、最簡便。除了具有內部頻率補償外，LM358運算放大器還具有低輸入偏流、低功耗電流、直流電壓增益較高、單位增益頻帶較寬和輸出電壓擺幅大等特性。

本設計采取多個鍵盤構成的開關矩陣，這也是單片機系統中常用的輸入設備。當操作人員想向數字穩壓電源系統輸入相關指令或者數據時，可以通過鍵盤來完成一系列操作。一般來說，單片機的系統采用的是非編碼鍵盤，鍵盤電路如圖6所示。

圖4 輸出電壓U取樣電路

圖5 輸出電流I取樣電路

圖6 鍵盤電路

3 結論

數字可調式穩壓電源最終可以實現輸出電流穩定以及輸出電壓可調等功能，并且使實時輸出電壓值跟輸出電流值能準確地顯示在操作屏幕上，幫助操作者更加準確地控制電壓輸出值，實現電源系統穩定與安全的目標。