高精度數控可調直流穩壓電源設計*

吳茂成 ，許宜申 ，顧濟華 ，陶 智 ，卜樹坡

(1.蘇州大學 物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州工業職業技術學院 電子工程系，江蘇 蘇州215104)

直流穩壓電源是電子技術領域的常用儀器設備之一，能在電網電壓產生波動或負載發生變化時提供穩定的直流輸出電壓。常規的直流穩壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩壓電路等部分組成，大多采用串聯反饋式穩壓原理，通過調節輸出端取樣支路中的電位器來改變輸出電壓值。由于電位器阻值變化的非線性和調節范圍限制，普通直流穩壓電源的輸出電壓精度不高。隨著使用時間的增加，用于粗調的波段開關和用于細調的電位器的接觸不良也會對輸出電壓產生較大影響，且調節較為繁瑣[1-2]。

針對常規直流穩壓電源的上述缺點，設計了一款數控可調直流穩壓電源，其輸出電壓 0～30 V可調,輸出電流最大值可達 4 A，輸出電壓精度高且穩定性強，參數設置操作簡便，還可實時監測并顯示實際的電壓/電流輸出值。

1 系統設計方案

系統的總體設計方案如圖1所示，主要包括整流濾波單元、輸出電壓/電流采樣及調整電路、微處理器單元、顯示控制單元以及常用電壓輸出單元等。

圖1 數控電源原理框圖

該電源利用運算放大器放大輸出設定值與實際輸出值之間的誤差，通過電路閉環負反饋方式調節MOSFET管的工作點，實現電壓/電流的穩定可控輸出，具有恒壓、恒流兩種工作模式。

系統配備了兩套顯示控制模式：一是傳統的實體按鍵加旋鈕參數設置調節方式，以滿足操作習慣需求；二是觸摸控制顯示方式，參數設置通過虛擬按鍵完成，顯示信息豐富，操作靈活多變。兩套顯示控制模式協同工作，都有步進切換、輸出使能和按鍵鎖定等功能。電壓步進值可以為1 V、0.1 V和0.01 V，電流步進值可以為100 mA、10 mA和1 mA。另外，為了滿足部分場合的常規電壓應用需求，借助于穩壓開關電源模塊和直流電源轉換電路，實現 3.3 V/3 A、5 V/3 A以及±12 V/1 A 4路固定電壓輸出。

2 主要硬件電路設計

2.1 微處理器單元

圖2 微處理器控制電路

微處理器單元是系統的控制核心，主要完成機械式按鍵、旋鈕和觸控顯示單元的輸入采集和輸出顯示控制，具體控制電路如圖2所示[3]。本設計中選用ST公司基于ARM 32位Cortex-M3內核的STM32F103VCT6芯片，其最高工作頻率為 72 MHz，最大速度可達 90 MIPS，芯片內部集成兩個12位A/D轉換器和兩個12位D/A轉換器，使得外圍電路設計得以簡化，并且可以滿足最小輸出電壓/電流分辨率要求。

2.2 輸出電壓/電流采集電路

輸出電壓/電流采集電路如圖3所示。輸出電壓采集由運算放大器構成的差分衰減電路完成，運放選用OP07，其輸入失調電壓極低，可以保證電源輸出精度。兩差分輸入端實時采樣輸出電壓并按比例衰減，一路低通濾波后接至微處理器內部集成的A/D轉換器，另一路接至電壓誤差放大電路。為保證衰減系數的準確性，R28、R17、R31和 R15均為高精度、低溫漂電阻,電源輸出電壓在0~30 V內調節時，電壓采樣值在0~2.44 V內同步線性變化。

圖3 輸出電壓/電流采集電路

輸出電流采集是由運放構成的同相放大電路完成的。R47為5 W大功率、低溫漂精密電阻，阻值為 0.05 Ω，由其實現0~4 A電流值到0~0.2 V電壓值的線性轉換，取樣電阻兩端電壓信號經放大，一路低通濾波后接至微處理器內部集成的A/D轉換器,另一路接至電流誤差放大電路。

2.3 電壓/電流誤差放大電路設計

當該電源工作于恒壓模式時，電流反饋回路只起限流作用，當實際輸出電流值小于設定限流值時電流誤差放大器工作在正飽和區，電壓誤差放大器工作在線性區。當負載變動使得輸出電壓瞬間略有上升時，電壓誤差放大電路的輸出使得MOSFET管柵源極間電壓減小，其導通程度隨之減小，從而降低輸出電壓，直到實際輸出電壓等于設定電壓；當負載變化使得輸出電壓瞬間略有下降時，電壓誤差放大電路的輸出將增大MOSFET管的導通程度，使輸出電壓增大并最終等于設定電壓。

該電源工作于恒流模式時，電流誤差放大電路的調節原理同上。

2.4 調整管溫度采集電路

系統設計中，調整管溫度采集電路主要有兩個作用：(1)為系統過熱保護提供實時溫度數據，當溫度小于35℃時關閉散熱風扇，溫度大于55℃且小于80℃時打開風扇，溫度超過80℃時關閉電源輸出;(2)為電壓輸出值的誤差補償提供參數：調整管溫度或負載電流大范圍變化時電源輸出電壓精度會受到影響，系統采用二維線性差值算法進行補償以實現高精度輸出，調整管溫度是算法的重要參數之一。

本系統選用LM35芯片實現調整管溫度的實時采集，該芯片具有使用方便、線性度高、測量溫度范圍廣、自發熱小等諸多優點，同時該芯片在使用時免調試、免標定、接線簡單、輸出阻抗低。

2.5 輔助電源電路

為了滿足部分場合的常規電壓應用需求，借助于穩壓開關電源模塊對220 V交流電進行AC-DC變換得到±15 V直流輸出，再經過直流電源轉換電路,實現3.3 V/3 A、5 V/3 A以及±12 V/1 A 4路固定電壓輸出。3.3 V和5 V直流電源的實現選用的是美國國家半導體公司(National Semiconductor)的 LM2596，該開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路,最大能夠輸出3 A驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節能力。LM2596有多種固定輸出版本，本設計的3.3 V電源和5 V電源分別選用LM2596-3.3和LM2596-5.0,其外圍電路配置簡單，如圖4所示。±12 V電源則選用常規的7812和7912三端穩壓器電路設計。

圖4 3.3 V輔助電源電路

3 系統軟件設計

本系統軟件采用C語言模塊化編程方式[4]，利用Keil MDK-ARM完成編譯，軟件設計流程如圖5所示。軟件系統主要由以下幾個模塊組成：

(1)主函數模塊：主函數先對系統進行初始化，開機讀取D/A校準值并顯示初始設置的電壓和電流；然后開始掃描是否有按鍵按下，若有按鍵按下，就通過D/A設定輸出電壓大小并讀取調整管溫度采樣值，判讀是否開風扇或進行過熱保護。

(2)按鍵定時掃瞄函數模塊：系統每5 ms檢測一次控制面板，若有新的電壓/電流設定值輸入，則立即更新相應標志位。

(3)數碼管顯示更新函數模塊：每當實時電壓或電流信號發生改變時,微控制器會主動更新數碼管的顯示結果。

(4)串口通信函數模塊：微控制器通過串行口與觸摸液晶屏進行通信。從液晶屏接收觸控信息時采用中斷方式，提高了CPU實時性和工作效率；向液晶屏發送電壓/電流和步進值顯示信息時采用輪詢等待方式，以保證每幀數據的完整性。

(5)D/A數模轉換函數模塊：為了數據處理方便，程序算法中采用 0.00～30.00和 0.000～4.000范圍內的浮點數分別表示設定電壓/電流值，本函數模塊將這種表示范圍線性地轉換到12位D/A所需的0～4 095范圍。

(6)電壓/電流步進調節函數模塊：電壓步進值可以為 1 V、0.1 V和 0.01 V，電流步進值可以為 100 mA、10 mA和1 mA，本函數模塊實現不同步進值基礎上的加減調節。

4 誤差分析與補償

電源正常工作時，大電流、重負載情況下調整管的最高溫度為60℃左右，而小電流、輕負載時約在常溫上下浮動。如何保證調整管溫度或負載電流在大范圍內變化時輸出電壓的精度是該電源設計的難點之一。輸出電壓精度主要由以下幾個方面決定：電壓取樣電路中運放外圍電阻的精度和溫漂；運算放大器的失調電壓及溫漂；D/A轉換器的性能和電壓基準源的溫漂。本設計首先從硬件上選用高精度、低溫漂及性能良好的關鍵器件，同時針對所選硬件再進行D/A輸出值的軟件二維線性插值補償，以確保調整管溫度或負載電流大范圍變化時輸出電壓的精確。

基于上述分析，若要保證全負載電流范圍和全工作溫度范圍內輸出電壓的精確性，送至電壓誤差放大電路的D/A值需要根據負載電流I和環境溫度T進行補償。系統所采用的二維線性插值算法[5]原理如圖6所示。

圖6 二維線性插值法原理圖

(1)在全負載電流范圍內取 N個電流校驗點 I1、I2、…、IN，在全工作溫度范圍內取 M個溫度校驗點 T1、T2、…、TM，設定D/A輸出電壓值對應的電源標稱輸出電壓值Uset，交叉測試校驗得到N×M個電源實際輸出電壓值U1、U2、…、UN×M。

(2)D/A轉換器校驗后，在調整過程中要求根據設定的電源標稱輸出電壓值Uset和調整管溫度值T確定負載電流。將實際調整管溫度值T與各溫度校驗點進行比較，確定 T在 Tj和 Tj+1之間。

其中，Ui,j和Ui,j+1是兩個電壓校驗值(對應電流校驗點Ij和 溫 度 校 驗 點 Ti、Ti+1)。

5 實驗結果

依據上述方案設計制作了數控電源，實際工作狀態如圖7所示。

對所設計電源的主要參數之一負載調整率進行了測試。實驗設置如下：電源輸出端所加的負載為12 V直流供電的150 W微型車載逆變器(其交流輸出電壓有效值為 220 V，頻率為 50 Hz)，該逆變器連接一個 50 W 可調光白熾燈光源，以實現負載可調。設置數控電源輸出電壓為12.00 V，最大輸出電流為4.000 A，調節白熾燈亮度調節旋鈕，利用6位半安捷倫萬用表Agilent 34401A測量不同負載情況下的輸出電壓。

圖7 所設計數控電源的實際工作狀態圖

測試數據如表1所示，計算可得12 V輸出時該電源的負載調整率為0.15%。

表1 負載調整率測試數據

本文設計并制作了一款高精度數控電源，該電源輸出電壓 0～30 V可調，輸出電流最大可達 4 A，電壓最小步進值為0.01 V，電流最小步進值為1 mA，負載調整率小于0.2%。電源配備了兩套顯示控制方案，既可以通過實體按鍵和旋鈕控制，也可以通過觸摸液晶屏對輸出電壓/電流值進行觸控控制，觸摸液晶屏操作方案的一大特色是增加了直接鍵盤設定功能，操作更簡便。同時，該電源還配備了4路常用固定電壓輸出，且保護功能較為完善，可滿足一般實驗和教學活動的要求。另外，通過系統軟件編程，該電源可實現輸出電壓波形自定義等擴展功能。

[1]朱貴憲.基于單片機的數控穩壓電源設計[J].自動化與儀 表 ，2011(6)：50-53.

[2]劉楚湘，杜勇，尤雙楓.基于單片機的數控直流穩壓電源設計[J].新疆師范大學學報(自然科學版)，2007，26(1)：50-52.

[3]阿莫電子論壇.電子技術交流[EB/OL].(2013-03-22)[2013-05-01].http//www.amobbs.com.

[4]林應荃，李洪文.經緯儀開關電源監控模塊設計[J].儀表技 術 與 傳 感 器 ，2010(11)：15-17.

[5]伍泓屹，陳波，俞舟平.基于溫度傳感器的 DAC非線性補償系統設計[J].傳感器與微系統，2011，30(9)：82-84.