穩壓電源的設計與制作

摘 要：分析了直流穩壓電源的基本構成及相關技術指標，闡述了利用單片機系統對線性或開關穩壓電源進行技術改造的基本原理。

關鍵詞：穩壓電源；線性穩壓；開關穩壓；單片機

引言

除采用干電池、蓄電池供電外，各種電子設備運行所需電能，通常都需要整流器將交流電轉換成直流電，然后才可以供各設備系統使用。但是，一旦交流電源的供給電壓或負載電流波動，會直接導致整流器的輸出電壓不穩定，進而影響各種電子設備的使用性能，如導致電子計算機、精密電子儀表出現計算測量誤差，引起工業電子設備、自動化生產線的自動控制裝置工作不穩等。因此，開發具有良好輸出功能、可高精度調控的直流穩壓電源，對保障國防、科研、企業等領域生產的穩定性非常有必要。

1 直流穩壓電源的基本結構及技術指標

直流穩壓電源的一般結構是將變壓器、整流器、濾波器和直流穩壓器依次整合，其中，變壓器將市電交流電壓轉換成低壓交流，然后由整流器轉變成直流，經濾波器和直流穩壓器后形成直流穩壓輸出。

評價一臺直流穩壓電源的優劣，需要對其關鍵技術指標進行測試和分析，主要包括：

（1）相對穩壓系數S：指負載電流保持不變的情況下，直流穩壓電源的輸出直流電壓的相對變化量與輸入交流電壓的相對變化量的比值，

小，在工程應用中S通常取10-2-10-4。

（2）負載調整率Su：指在額定交流輸入電壓下，負載電流發生從0到最大值的變化時，輸出電壓的最大相對變化量，即S×100%。

（3）輸出電阻R0：對于穩壓電源，當負載電流變化時，輸出電壓應基本保持恒定，這方面的性能可以用輸出電阻來表示，即R0=?？梢?，R0越小，負載電流的增大量或減小量，引起的穩壓電源來輸出電壓的變化也越小，說明電壓穩定性越好。

（4）紋波系數r：指輸出電壓中交流電壓分量（紋波電壓）占額定輸出電壓的百分比，即r=×100%。r值越小，輸出電壓中的紋波電壓分量越小，通常是幾毫伏，甚至低于1mV。

2 直流穩壓電源的設計

目前，市場上常用的直流穩壓電源，根據其調整元件的區別，主要包括線性穩壓和開關穩壓兩種。線性穩壓電源是通過調整等效電阻的控制信號來獲得穩壓輸出，而開關穩壓電源是通過調節開關調整管的導通時間來實現穩壓輸出。

通常，直流穩壓電源仍采用串聯反饋式線性連接方式，需要通過電位器實現對輸出電壓的調整。但是，電位器的阻值是非線性變化，并且調節范圍窄，使得穩壓電源在輸出特性上難以實現高精度和高穩定性輸出。然而，將單片機系統作為直流穩壓電源的主控制單元，對傳統的電源設計進行優化，可以實現對輸出特性的高精度、穩定控制，可以實時顯示輸出電壓參數，并且其保護功能更加完善，可以實現對過壓、過流等異常的自動保護。

2.1 基于單片機的線性穩壓電源

為了提高線性穩壓電源的輸出精度和穩定性，以低能耗、高效率、易編程的16位MSP430F149單片機作為控制核心，對線性穩壓電源進線技術改造，其基本結構如圖1所示，主要包括MSP430F149單片機系統、串聯線性穩壓控制模塊、電壓電流采樣模塊、保護裝置和顯示模塊等幾部分。具體如下：（1）該系統中所使用的MSP430F149單片機系統由TI公司研發，其指令執行速度高達8MIPS，功耗低，并且系統內部帶有PWM輸出模塊、12位A/D轉換模塊等穩壓模塊。（2）串聯線性穩壓控制模塊中的調整管由TL431基準源和兩個大功率NPN型三極管3DD15D（Q1和Q2）復合組成，其中Q1和Q2分別提供基極電流和射極電流。當輸出電壓升高時，2個分壓電阻間的采樣電壓增大，此時需要TL431輸出低電壓進行反相控制，從而降低三極管Q2的基極電壓和Q1的射極電壓，進而保證輸出電壓穩定在設定值。當輸出電壓降低時，通過上述相反的調壓過程，保證穩定輸出。（3）對于電壓電流采樣模塊，則可通過MSP430F149單片機內部的A/D轉換模塊進行電壓或電流的采樣，即輸出的電壓經采樣電阻后，進行濾波和信號放大，然后直接輸入到A/D轉換模塊，從而對實際輸出電壓進行采樣和分析，采樣速率達200kbps。（4）LCD顯示模塊采用液晶屏，用于顯示采樣的負載電壓、負載電流和額定功率。

2.2 基于單片機的開關穩壓電源

以MSP430單片機作為主控器件的開關穩壓電源的系統結構，如圖2所示，主要包括整流濾波電路、DC/DC轉換電路、電壓采樣電路、PWM驅動電路和過流保護電路等。

（1）MSP430主控器件采用MSP430F449單片機，用于PI調節電壓反饋，產生PWM波、設定基準電壓及顯示電壓電流，并進行過流保護。（2）DC/DC轉換電路：市電交流電壓經濾波電路整流后，在輸送到負載前，需進行DC/DC轉換。在DC/DC交換器中采用Buck降壓斬波電路，通過PWM波以一定的占空比重復導通和切斷PWM開關組合，這種導通/切斷過程會對直流輸入電壓進行斬波，形成高頻脈沖方波電壓。當PWM開關導通時，二極管關閉，輸入端電壓對電感L充電儲能，并傳輸到負載；當PWM開關切斷時，電感L感應出左負右正的感應電壓，二極管此時作為續流器件，形成負載、二極管和電感組成的回路，釋放電感中儲存的電能，從而維持直流電壓不變。（3）PWM驅動電路：MSP430F449單片機產生的PWM波需要驅動電路（圖3）進行驅動，才能傳輸到DC/DC交換器中。為了防止強電側電壓回流和保護弱電單片機，先用開關光耦對PWM波進行光電隔離，然后經三極管到達驅動電路的IR2101芯片，經芯片5管腳輸出，開始工作。

3 結束語

以單片機作為主控單元，對線性或開關穩壓電源進行改造，可以實現對輸出電壓的高精準和高穩定控制，對于具有良好輸出特性的多功能、智能化穩壓電源技術的開發具有一定的參考價值。

參考文獻

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作者簡介：李鳳琴（1986-），女，漢族，貴州凱里人，碩士，助教，研究方向：電子技術。