基于STM32 單片機的數控線性直流穩壓電源設計★

劉倩倩

（山西工程職業學院， 山西 太原 030000）

引言

目前市場中大部分的直流穩壓電源功能比較單一，輸出電壓值無法直觀顯示，本設計中的數控線性直流穩壓電源是將220 V/50 Hz 交流電經過變壓、整流、濾波和穩壓后默認輸出9 V/1.5 A 直流電。控制回路主要由高精度高速度的STM32F4 單片機組成，通過AD/DA 轉換，與運放的輸入端建立連接，使用按鍵調整輸出電壓并實時顯示，每次按鍵使電壓值步進0.1 V，最大輸出電壓為12 V，實現直流穩壓電源數字化，可根據不同電子產品調節輸出電壓值并顯示，拓寬了直流穩壓電源的匹配度，增加其可用性[1]。

1 直流穩壓電源系統設計

1.1 直流穩壓電源原理及組成

本系統由STM32F4 單片機、變壓器模塊、整流電路、濾波電路、穩壓電路以及AD/DA 轉換模塊構成。在電源電路設計中，首先由變壓器將220V 交流電降壓，經整流、濾波后，由單片機的DA 為運放提供基準電壓信號，再由調整管穩定輸出電壓，實現穩壓效果，單片機的AD 在采樣電阻采集電壓信號，由單片機實時顯示到屏幕上。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

1.2 穩壓電路設計

串聯型穩壓電路由調整管，取樣電路，基準電壓和比較放大器等部分組成（下頁圖2）。當電網輸出電壓或者負載發生變化時會導致輸出電壓產生波動，穩壓電路中的取樣電路將部分輸出電壓反饋到比較放大器，與基準電壓進行比較后放大誤差電壓，從而通過控制調整管的基極電流來改變其集—射集電壓來補償輸出電壓的變化，維持了輸出電壓的穩定性。

1.2.1 調整管（三極管）的選型

調整管的主要參數為耐壓值、三極管集電極最大允許電流ICM以及集電極最大允許耗散功率PCM。

由于設計中的輸出電壓最大為12 V，而三極管正常工作時，集—射集間電壓Uce至少要有2～3 V 的電壓差，所以穩壓電路的輸入電壓最少要達到14 V。假設交流輸入電壓220 V 的波動范圍為15%～20%。那么濾波之后的電壓即穩壓電路的輸入電壓的變化范圍也會上下波動15%～20%，即14 V 為波動后穩壓電路輸入電壓的最小值，此時對應的輸入電壓為176 V（即交流輸入電壓減小20%）。故可以求出穩壓電路輸入電壓減小前的值為17.5 V。同樣當交流輸入電壓增加20%時，穩壓電路的輸入電壓也會在17.5 V 的基礎上增加20%，變為21 V。經過分析，當輸入交流電為220 V 且在15%～20%上下波動時，穩壓電路的輸入電壓值最大為21 V，而一般情況下，三極管耐壓值需取最大輸入值的1.5～2.0 倍，故其耐壓值須大于42 V。

本設計中直流穩壓電源滿載時最大輸出電流為1.5 A，同時由于三極管集電極電流IC應小于三極管集電極最大電流ICM，故三極管集電極最大允許電流ICM需在3 A 以上（取1.5～2.0 倍余量）。對于集電極最大允許耗散功率PCM，根據公式集電極功率損耗PC=UCE×IC≤PCM，故集電極最大允許耗散功率需大于18 W。

經過分析與計算，在不考慮運放能否滿足要求的情況下，本設計采用兩個NPN 三極管8050 與2SC2625 進行復合工作，使用兩個三極管復合工作作為調整管可以保證放大倍數不會很小，同時過電流能力也能夠滿足。經測量得知，復合工作后的放大倍數大于1 000 倍。

1.2.2 運放的選型

本設計中輸出電壓最大為12 V，而三極管基—射集間電壓Ube為0.7 V，故運放輸出電壓需大于12.7 V，即運放的工作電壓也應大于12.7 V，所以在整個直流穩壓電源系統中，為運放單獨設計一個輸出15 V 電壓的內部直流穩壓電源。

1.2.3 電阻R1R2 的選取

由于電源設計的最大輸出電壓為12 V，按鍵步進值為0.1 V。而單片機DA 的輸出電壓范圍為0～5 V。運放輸入電壓Ug、輸出電壓U0與R1、R2之間的關系為：U0=（1+R1/R2）×Ug。為了便于計算，使R1與R2的比值為4，當R1=4 kΩ，R2=1 kΩ,輸出電壓U0為步進值0.1 V 時,帶入公式可得Ug=0.02 V。故DA 每增加0.02 V，U0就增加0.1 V。當Ug為1.8 V 時U0為9 V，Ug為2.4 V 時Uo為12 V。

穩壓電路最終設計如圖2 所示。

圖2 穩壓電路設計

1.3 濾波電路設計

整流電路將交流電變為脈動直流電，但其中含有大量的交流成分，為了獲得平滑的直流電壓，本設計采用電容濾波電路來濾除波形中的交流成分。電容濾波是通過利用電容的充放電原理，即當整流輸出電壓高于電容兩端電壓時電容快速充電，反之電容緩慢放電，來減少紋波，使輸出電壓變得平滑，同時還增加了輸出電壓的平均值。

對于濾波電容容值的選取，首先已知本設計輸出電壓為9～12 V，輸出電流最大為1.5 A，經計算可知負載電阻最小為6 Ω。一般情況下，對于單相橋式整流電路與電容濾波電路，可依據公式RC≥（3～5）T/2 來選擇濾波電容C 的大小，其中R 為負載電阻即6 Ω，T 為電網輸出的交流電周期即0.02 s。根據公式可知，負載的電阻值越小，所需電容的容量越大，所以當負載電阻為最小值6 Ω 時，濾波電容所需的電容值為最大，即8 333.333 3 μF，由于容值較大，故在設計電源時選用電解電容作為濾波電容。

1.4 整流電路設計

1.5 變壓器選擇

直流穩壓電源設計時，使用變壓器的作用是將電網輸出的標準交流電經過變壓轉化為負載所需大小的交流電。本設計中負載電壓為9～12 V，故設計直流穩壓電源時應使用降壓變壓器，同時根據調整管的選取可知，穩壓電路部分的輸入電壓最小要達到17.5 V，而變壓器二次側電壓經整流及濾波后，輸出電壓一般要放大1.2 倍。故本設計選用參數為一次測電壓220 V、二次側電壓15 V、功率30 VA 的變壓器。

1.6 電路保護環節設計

本設計中電路保護環節分為短路保護與過流保護，短路保護實則是對調整管進行保護，故選取耐壓16 V、耐流2 A 的自恢復保險管串接在調整管的后方。為了實現過流保護，在輸出端串聯一個0.1 Ω 的小電阻，將讀取到的小電阻兩端電壓值傳送給單片機，通過這個電壓值求出相應電流，并與最大輸出電流1.5 A 進行比較來判斷是否過流，如果過流則通過控制單片機DA 改變同相端輸入的基準電壓，使調整管的基極電壓小于集電極電壓，即使調整管進入截止狀態，電路斷開，從而實現過流保護。

1.7 運放芯片與單片機的供電

本設計中為了直流穩壓電源的穩定性，單獨設計一路變壓、整流、濾波電路，再使用穩壓模塊7815輸出15 V 穩定電壓為運放LM358 供電，然后再將15 V 輸出電壓當做電源，連接穩壓模塊7805 輸出5 V電壓為單片機供電。

經過計算，為運放和單片機供電的直流穩壓電源設計中，選取一次測電壓為220 V，二次側電壓為18 V，功率30 VA 的變壓器，整流和濾波電路選取同主電源[2]。

2 測試與分析

經過原理分析與設計，該直流穩壓電源可以實現直流穩壓輸出，輸出電壓默認為9V，最高可達12V，輸出電流可達到1.5 A，同時通過按下“+”“-”按鈕可實現輸出電壓步進0.1 V。

為了驗證直流穩壓電源的可用性與穩定性，分別測試了電源的負載調整率、紋波電壓、效率以及過流保護測試。

2.1 負載調整率測試

由于負載的變化一般會影響電源輸出的變化，一個合格的直流穩壓電源，其負載調整率應越小越好。負載調整率的計算公式為：

故需在空載與滿載狀態下分別測試電源的輸出電壓。測試結果見表1。

表1 負載調整率測試

經過計算，負載調整率約為1.2%，符合直流穩壓電源設計要求。

2.2 紋波電壓測試

紋波電壓是直流穩壓電源的一個重要參數，過大的紋波電壓會影響負載的工作效率。在測試時使用示波器測量輸出電壓波形的峰-峰值即可得出電源的紋波電壓。通過示波器輸出波形可以看出，輸出噪聲紋波電壓的峰-峰值為0.2 V，滿足直流穩壓電源的使用要求[2]。

2.3 效率測試

一個直流穩壓電源由于在工作過程中，各個環節如變壓器損耗、整流濾波損耗或穩壓損耗等都存在一定的損耗，不同的電路設計其電源效率不同，在本設計中，為了測試電源的效率，使輸出電壓為9 V，負載為滿載的狀態下，分別測量穩壓電路的輸入電壓與輸出電壓，經測試輸入電壓與輸出電壓分別為20 V 與9.1 V。

據計算公式:

可知效率為45.5%，即電源效率滿足使用要求。

2.4 過流保護測試

過流保護的測試方法為將輸出電流增大到大于最大輸出電流1.5 A 時，檢測電路是否斷開，本設計中對于過流保護的測試結果見表2。

表2 過流保護測試

由測試數據可知，電路中的過流保護為正常狀態。

3 結語

此次設計的數控直流穩壓電源達到使用要求，包含了變壓、整流、濾波與單片機控制的穩壓電路，不僅能夠輸出穩定的電壓，還能直觀顯示在屏幕上，并且精準控制輸出電壓步進。在設計過程中，有很多不足的地方，比如電壓還是有一些非常微小的波動，電流實測值與單片機檢測有微小誤差等，還需要進一步精進改良。