0～30V可調數控直流穩壓電源設計

常 虎，龐 帥

（國網淮南市潘集區供電公司，安徽淮南 232082）

0 引言

直流穩壓調節電源，也稱為直流穩壓器，其功能是為負荷供給平穩的直流電壓。穩壓器的作用明顯，能在輸入或負載側發生擾動時保證輸出電壓的相對穩定。穩壓電源有紋波小，高調整率的特點，在工業控制、儀器儀表等領域發揮著重要作用。本文設計的穩壓電源輸出電壓范圍為0～30 V，可以實現“＋”“－”按鈕步進電壓調節功能，紋波在10 mV 左右，輸出電壓和輸出電流可以通過液晶屏顯示。

1 系統設計

可調數控電壓源的硬件部分包括C8051F020 單片機、直流穩壓電路、液晶顯示電路和BCD 碼鍵盤電路，能夠在液晶屏上顯示經電流電壓采集電路采集，由單片機進行模數轉換得出的電流、電壓值。系統的數控調節過程如圖1 所示，其硬件結構具有以下特點：①輸出紋波電壓較??；②高頻干擾極低；③電壓穩定度及負載穩定度高；④瞬時響應速度快。

圖1 系統硬件結構

2 硬件設計

2.1 降壓電路

降壓電路首先通過電源變壓器將220 V 交流電降為低壓交流電，為了防止穩壓器件兩端的壓差過大，將低壓端設計成兩個觸點。當輸出電壓為15～30 V 時，輸出的電壓經過比例電路轉變成單片機可接受的電壓，經過單片機處理后給出一個高電平的動作，D2 就會由閉合轉到通態，此時繼電器K1 的觸點和D2 連接。當輸出電壓為0～15 V 時，送入到單片機后進行處理，再給出一個低電平的動作，使三極管轉為截止狀態，繼電器停止動作，始終與變壓器觸點閉合導通（圖2）。

圖2 降壓電路

由于降壓穩壓器LM2575 的輸入電壓為7～40 V，對于電容性負載，變壓器副邊的輸出電壓U2與LM2575 的輸出電壓關系為Umin/（1.1～1.2）≤U2≤Umax/（1.1～1.2）。計算得U2的取值范圍為6.4～36 V。所以副邊兩個觸點的電壓分別是18 V 和36 V。此外，在變壓器的原邊連接了熔斷器，當通過的電流過大時熔斷器熔斷、切斷電源輸入，以達到保護電路的目的。

2.2 整流電路

（1）在正半周運行，當e2>Uc時，二極管D1 和D3管導通，D2 和D4管截止，電流通過電阻RL，同時給電容C 充電。當Uc>e2時，二極管D1和D3 管截止，D2 和D4 導通，此時電容C 開始放電，電流反向流過電阻RL，Uc會逐漸下降。

（2）在負半周運行，運行結果與正半周相反。當e2>Uc，二極管D1 和D3 截止，D2 和D4 導通，電流會再次流經電容C，并給它充電；此時Uc還在上升，直至到達容量最大值，然后開始逐漸下降，到達某一個階段之后，二極管D1 和D3 管導通，D2 和D4管截止，此時電容C 放電，電流反向流過電阻RL，Uc會逐漸下降；放電放到一定程度時，D1 和D3 又會變成正半周導通時的狀態，然后循環往復。

2.3 穩壓電路

穩壓電路部分采用了LM2575 降壓穩壓器，其主要作用是將整流后的電壓轉化為穩定的直流電壓（圖3）。LM2575 的參數為：Uo=1.23～37 V，Imax=1 A，輸入電壓的范圍為7～40 V。R 取240 Ω，則輸出電壓：Uout=1.23（1+R1/RP）。當比例放大器的輸出電壓為0時，RP與R1相比值很大，可近似為R1/RP=0，所以Uout=1.23 V。

圖3 穩壓電路

2.4 電壓采集電路

電壓采集電路如圖4 所示。因為輸入單片機的電壓只能是0～5 V，所以要將0～30 V 的輸出電壓通過電阻分壓成比例地降至0～5 V。取R18=5 kΩ，R19=1 kΩ，將輸出的0～5 V 電壓送到單片機處理。

圖4 電壓采集電路

2.5 電流采集電路

電流采集電路如圖5 所示。

圖5 電流采集電路

電路中有以下關系：

Un=Up

Up/Uo=R22/（R22+R20）=1/（1+39）=0.025

Un=Io×（R23×R24）/（R23+R24）=0.075Io

Uo=3Io

放大器會將電壓值送到單片機進行處理，再經過軟件程序的編程處理，將其對應的電流值顯示在液晶顯示屏上。

2.6 過流、過壓保護電路

過流、過壓保護電路如圖6 所示。繼電器動作由單片機C8051F020 的P3.3 端控制，當電路電壓、電流處于正常狀態時，P3.3端輸出高電平，繼電器吸合，電路正常運行。當單片機采集的電流信號大于預設值時，P3.3 端輸出低電平，繼電器釋放，電路開路。檢測的電流低于預設值時，P3.3 端輸出高電平，繼電器吸合，電路通路。

圖6 過流、過壓保護電路

2.7 報警接口電路

蜂鳴器的工作機理是，當電磁線圈內有電流通過時蜂鳴器發出報警聲。由于電磁線圈在線圈通過電流時內部磁場發生變化，可以以此驅動振動膜。由于單片機自身的帶負載能力相當小，僅以單片機的輸出電流無法驅動蜂鳴器，因此需要設計電流放大電路，通過單片機輸出電平控制三極管8050 的關斷和導通，進而控制蜂鳴器鳴響。

2.8 功率器件的散熱設計

由于電源電路中電流較大，產生的熱量也比較多，如果不能及時散熱，會使芯片過熱，導致其穩定性下降，甚至會燒壞芯片。為了將產生的熱量及時散熱處理，在芯片上添加散熱片，使其處于正常的工作溫度。由于芯片和散熱片之間存在間隙，導致散熱性能不佳，需要在導熱接觸面涂抹導熱硅脂，提高導熱性能。

3 軟件設計

系統的軟件組成部分主要包括主程序、讀取設定值子程序、調節輸出子程序等，數據收集任務由中斷子程序執行。

（1）主程序。主程序主要實現實時檢測電流、電壓數據，并把采集的數據與設定值進行比較，通過PID 運算得到PWM 波形占空比所對應的定時器計數值，從而完成定時器的設定，達到調節PWM 占空比的目的（圖7）。

圖7 主程序流程

（2）調節輸出子程序。調節輸出子程序如圖8 所示，該子程序主要判斷是否存在過壓、過流的情況，若超過限定值則進行報警。在正常工作情況下，調節輸出子程序用于判斷電源的工作狀態是在恒壓模式，還是恒流模式，進而調用對應的電壓、電流調節子程序，實現恒壓或恒流控制。

圖8 調節輸出子程序

4 結束語

實驗表明，基于C8051F020 單片機的數控直流穩壓電源實現了設計要求的目標，紋波小、抗干擾能力強、調整率好。但也存在缺點，主要有：體積大、損耗大、效率低，且過載能力較差。