一種直流穩定電源設計

（廣西廣播電視技術中心桂林分中心）

一、系統設計要求

（一）系統基本功能

輸出電壓范圍為+9V～+12V；最大輸出電流1.5A；電壓調整率≤0.2%；負載調整率≤1%；紋波電壓≤50mV；具有過流及短路保護功能。

（二）總體方案

系統由供電電路、穩壓電路、D/A與A/D控制電路、單片機顯示部分組成，系統總框圖如圖1所示。供電部分經過220V/18V變壓，之后再整流濾波。選擇整流橋時重點考慮整流二極管的最大反向耐壓值和所能承受的最大電流值。從濾波角度看，大電容固然會對輸出電壓的穩定性有很大幫助，但同時也要看電源所帶的負載的大小，負載重的就要選擇大一點的電容，相反，就要選小一點的電容，以電壓下降的程度能容忍就行；穩壓電路中，調整管采用大功率晶體管，在實現穩壓作用的同時又可以實現擴流作用，以便增加電源的帶負載能力；在D/A與A/D控制電路部分，因為D/A有電壓、電流兩路預設值控制，故而該采用具有兩路輸出以上的DAC，同理，在A/D轉換中，也具有兩路以上的模擬輸入的ADC，電路精簡明了，程序控制部分簡單，還有DAC和ADC的位數應合適，有利于提高步進精度值。單片機顯示部分中，單片機采用的是51系列的單片機，顯示部分可采用液晶顯示。

二、具體硬件電路介紹

（一）晶體管串聯反饋式直流穩壓電路

圖1 系統總框圖

設計方案的一般結構原理框圖如圖2所示，Vi是整流濾波電路的輸出電壓，T是調整管，A為比較放大電路，Vref是基準電壓，它由穩壓管Dz和限流電阻R構成的簡單穩壓電路而獲得。R1、Rp、R2組成反饋網絡，用作取樣環節。

圖2 晶體管串聯反饋式直流穩壓原理圖

此方案中取樣電路將輸出電壓Vo取樣后得到取樣電壓，之后取樣電壓與基準電壓進行比較得出誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態進行調整，從而改變輸出電壓，而該變化與由于輸入電壓Vi變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓Vo的穩定(穩壓值)。此方案思路比較簡單明了，易于接受，靈活性高，且它是直接對調整管進行調整，選擇的調整管合適，帶負載能力比較強。

圖3 基于D/A控制且經過放大的穩壓可調方案

圖4 供電部分電路

（二）數控可調方法的實現

D/A轉換芯片TLV5616是12位電壓輸出數模轉換器，它有四個控制端，1腳是串行數據輸入，2腳是串行數據時鐘輸入，3腳是芯片選擇（低電平有效），4腳是幀同步。為了滿足設計所要求的9～12V的輸出電壓，還得將D/A輸出的模擬電壓放大之后才送到LM317的反饋端，這里用的是NE5532進行放大，NE5532是一種高性能低噪聲雙運算放大器集成電路，它比很多準運放具有更好的噪聲性能，輸出驅動能力優良以及小信號帶寬相當高，電源輸入電壓范圍相當大，應用起來比較方便。正因為NE5532中有兩路放大作用，所以此處可用其中一路作為電壓跟隨作用，以便實現輸出電壓會更穩定一點。基于D/A控制且經過放大的穩壓可調方案如圖3所示。

（三）供電部分電路設計

圖5 穩壓部分電路

直流電源是能量轉換電路，將220V的交流電轉換成直流電。其一般由變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路組成，220V市電經220V/18V變壓器變壓后得到18V交流電壓，之后經過6A/100V的整流橋進行全波橋式整流后得到直流電壓，再經過濾波電容（4700uF/50V）減小電壓脈動，此處選擇使用呈階梯狀的電容排列分布進行濾波，這樣有助于電壓輸出的平緩，得到的電壓較穩定。經電容濾波輸出后的電壓（25V左右），就可做為后期電路所需要的一部分供電電壓，這時的電壓應作為穩壓電路中調整管的輸入電壓。此外，在此還需要進行輔助電源的設計，用低壓差線性穩器件將電壓降到所需要的電壓軌，本次設計中要用到的輔助電源是+18V、+5V以及-5V的，+5V電壓可由單片機部分來提供，+18V電源可由線性穩壓器件7815來得到，-5V電源由線性穩壓器件7905來得到。供電部分電路如圖4所示。

（四）穩壓部分電路設計

如圖5所示，經過變壓整流之后得到25V左右的直流脈動電壓，再經過電容濾波，減小電壓脈動，此時的電壓作為調整管TIP122的輸入電壓，TIP122是一種大功率達林頓三極管，CE間承受電壓為100V，功耗為65W，它的集電極最大連續電流可達到5A，在TIP122的基極與集電極之間連接一個2.2K的電阻，以提供給TIP122一個合適的直流偏置，以便它能夠正常工作，二極管D1、D2起到電壓補償作用。DAV與DAI分別代表設定的DA電壓值與DA電流值，它們與采樣回來的值進行比較，得到誤差電壓再放大去調整TIP122的C-E極間的電壓，達到一個動態平衡，以得到穩定的輸出電壓與輸出電流。當DAV處的值為2V、DAI處的值為2V，輸出電壓可達10V，輸出電流可達2A。運放芯片為ADOP07，電壓采樣是用電阻分壓（5:1）來得到，采樣回來的電壓在送到A/D轉換的同時送回D/A比較處。電流采樣用的是誤差為0.01%的0.1歐2A的軍工電阻，采樣回電壓值，經運放放大后送到A/D進行轉換，同時也同樣送回D/A比較處進行校正調整。進行電流采樣時最好用的是儀用放大器來進行放大，因為儀用放大器本身帶有電壓跟隨器作用，采得的電壓會穩定一點。

（五）D/A與A/D控制及按鍵部分電路設計

數模轉換采用的是雙通道的低功耗12位DAC轉換器TLV5618，以便達到所需要的精度，而且能同時給DAV與DAI設置模擬值。TLV5618有三個控制端，1腳為串行數據輸入端，2腳為數字串行時鐘輸入，3腳為片選。其輸出模擬電壓計算公式為：V=2*Vref*(dignum/0x1000) 注:dignum后四位為:0x0000-0x0fff。TLV5618的參 考電壓Vref為0-3.5V，本次設計中采用的是2.5V，故采用線性穩壓芯片TL431來產生穩定的2.5V直流電壓。在選擇DAC的時候，主要考慮D/A的每個步進控制輸出的電壓增量，以提高精度。A/D轉換部分采用12位分辨率、雙通道A/D轉換芯片MCP3202，其具有體積小，兼容性，性價比高，且具有雙通道的特點。按鍵控制也放在本部分電路中一個為電壓“增+”，一個為電壓“減-”控制，直接連接到單片機。

三、系統軟件設計

（一）本設計的系統軟件指的是單片機AT89S52上運行的程序。系統軟件主要包括按鍵的掃描、D/A的預設值控制寫入、采樣時A/D的轉換以及電壓電流采樣時的處理、LCD1602的顯示控制，難點在于采樣值與D/A的預設值的比較，需要做到循環控制。

表1 空載條件下所測的電壓變化范圍（單位：V）

（二）系統軟件主流程

系統軟件主流程圖如圖6，軟件主流程主要包括以下工作：

1.系統初始化：對單片機系統進行配置、初始化變量和全局參數、對單片機系統外圍模塊進行初始化、對LCD1602液晶屏復位并顯示初始值等；

2.按鍵掃描：當單片機響應按鍵后，讀取按鍵值，然后判斷并對按鍵產生響應；

3.D/A值的步進控制：根據對按鍵的掃描，單片機做出判斷并響應，是否進行步進的增減；

4.LCD1602的液晶顯示：經過采樣回來的電壓值，經過處理顯示出當前的輸出電壓以及輸出電流。

圖6 軟件系統流程圖

四、數據整理及最終分析

在輸入電壓220V、50Hz，電壓變化范圍＋15%～－20%條件下，得出數據如下：

（一）輸出電壓可調范圍為+9.03V～+12.01V（空載條件下），步進電壓為70mV，其中所測的電壓變化如表1所示。

（二）最大輸出電流為1.5A（在輸出電壓為12.01V，負載為8歐時）。

（三）電壓調整率與負載調整率測試，當空載時輸出電壓為12.01V，然后再帶上8歐的負載，達到最大輸出電流1.5A，此時再測輸出電壓為11.98V，當調整負載時（增加到20歐左右），此時再測輸出電壓為11.68V。

可見，電壓調整率與負載調整率良好，加上負載后或負載變動時，輸出電壓變化還是較小，足夠穩定，效率達到38%左右，紋波控制在50mV以內。

五、結論

本數控穩壓電源的設計主要是根據晶體管串聯反饋式穩壓電路的原理來完成的，其中，其基本原理主要包括基準源、采樣、比較放大、調整管四大部分，基于DAC控制基礎之上來實現數控功能的，其間通過采樣回來的輸出值與DAC的設置值相比較來控制調整管。采樣時還使用了誤差為0.01%的0.1歐2A的軍工電阻，配合程序控制，使數控穩壓電源的基本參數滿足了設計要求，為日后在臺站中使用提供了參考。