數控直流電源設計

程習敏 劉華

摘 要：系統采用單片機技術與開關電源技術相結合，由升壓電路、電壓與電流采樣電路和信號放大電路構成數字化直流電源。實現對輸出電壓與電流的設置，同時通過AD采樣控制校正電壓，從而有效的提高該電源電壓及電流的輸出精度。

關鍵詞：數控顯示；恒壓；恒流

中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0040-02

Abstract： The digital DC power supply is composed of boost circuit， voltage and current sampling circuit and signal amplifying circuit， to achieve the output voltage and current settings and correct voltage through AD sampling control， so as to effectively improve the power supply voltage and current output accuracy.

Keywords： numerical control display； constant voltage； constant current

1 概述

直流電源是提供穩定直流電壓電流的電源裝置。當外界電網電源產生波動或電網阻抗特性發生變化時，該電源仍能使輸出電壓/電流保持恒定的值[1]。采用數字控制方式可以引入一些智能控制算法，使電源的性能更好，自動化程度更高[2]。通過數字控制方式可以在線修改控制算法，而不必改硬件線路，使系統升級方便；也易于組成高可靠性的多模塊開關電源并聯運行系統，實現自動分流和按比例分流[3]。

2 系統結構

系統通過單片機產生PWM信號，由于單片機產生的PWM信號無法直接驅動MOS管，故需要通過UCC3803芯片（UCC3803芯片是低功率BiCMOS電流模式PWM芯片）驅動MOS管，完成直流升壓斬波的原理設計，在直流升壓的同時，通過電壓電流采樣技術取得直流電源的電流值與電壓值，使用單片機STM8進行數據采集與顯示。整個系統硬件分為5個部分，分別為：直流電源濾波部分、PWM信號產生部分、斬波升壓部分、電流電壓采集部分和STM8顯控部分；軟件主要為STM8單片機的控制部分[4-5]。如圖1所示。

首先通過LC濾波電路對直流電源進行濾波處理，其次，電源信號通過斬波升壓得到所需要的升壓后電壓值；其中PWM信號由單片機STM8S產生，芯片UCC3803對PWM信號的占空比進行反饋比較，驅動MOS管；電壓與電流的顯示是通過電壓采集與電流采集電路獲取，電壓與電流值本身為較為微弱的模擬信號，通過使用TLC2272型號芯片的運算放大器對其進行放大后再通過單片機的ADC模擬接口去采集；顯示部分使用單片機的IO口去驅動74HC595D芯片，從而完成顯控部分的設計。

3 軟件設計

當系統啟動時，系統首先初始化，然后讀取存儲的數據，顯示設置界面，最后等待鍵盤輸入。當按“SET”鍵后，相應的數據位閃爍，輸入數據位的電流后，下一個數據位閃爍，以此進行類推。輸入所需的預先設置電流后，按“OK”鍵確認設置電流，并確定輸入的預先設置電流是否超過范圍。如果沒有超過范圍的話，從鍵盤接收現在的輸入值，計算PWM波的占空比，從單片機PA3提取了PWM波。輸出電流的采樣電路，A/D轉換后得到實際測量電流值c（k），比較預先設置電流和實際測量電流r（k），得到這次偏差e（k）。當|e（k）|<ε（ε為死區偏差）時，不調節，通過LED數字管顯示電流值[6]。見式（1）所示：

4 調試與測試

測試環境：常溫、常壓、干燥環境。

測試所需儀器：OWEN-EDS072E數字示波器；萬用表；可調直流電源箱。

測試方法：（1）正確連接輸入、輸出，保證輸入電壓在要求的范圍內，嚴禁反接。輸入電壓須高于最低輸入電壓。（2）設定所需的電壓電流值。（3）設定完成后按下“OK”按鍵就可以輸出了。（4）輸出狀態下，在顯示電壓值時按下“+”按鍵可以增大輸出電壓，按下“-”按鍵可以減小輸出電壓，輸出電流值時同樣如此。短按精確設定，長按快速設定。（5）輸出狀態下，按下“SET”按鍵可以關閉輸出。

測試內容：使用可調直流電源箱，輸入端依次接入不同值的直流電，經測試板內部直流濾波電路，直流斬波升壓電路，電流電壓采集電路及數碼顯示電路后檢驗輸出是否與所設置的設定值一致。

測試連接圖如圖3。

紋波情況如圖4。

按照需要輸出的電壓進行設置同時使用萬用表監控輸出電壓值是否正確，測試內容如下表1。

常規電流輸出測試：按照需要輸出的電流進行設置同時使用萬用表監控輸出電流值是否正確，測試內容如下表2。

5 結束語

通過STM8S103單片機與開關電源相結合構成數字控制高性能電源，從低紋波、高精度、高效率和增大輸出功率等方面改善開關電源的性能。經測試表明：該電源實現了輸出電壓調節范圍+8～+60V，步進電壓0.1V，紋波小于0.9mVp-p，為科研和工程應用提供了一個優質電壓源。與傳統的數控電壓源比較，可以輸出負電壓，步進電壓更小，輸出電壓精度更高，紋波更小，負載調整率和電壓調整率更低，運行速度快，抗干擾能力強，外圍電路更簡單。

參考文獻：

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術（第5版）[M].機械工業出版社，2014.

[2]高曉紅，段彥豐.數控直流穩壓電源的設計與實現[J].隴東學院學報，2018（1）：140-142.

[3]陳炯，凌紅星，姚冰峰.恒流恒壓直流高壓電源系統的研制[J].上海電力學院學報，2013，29（5）：440-442.

[4]詹新生，張江偉.基于AT89C51的數控直流電壓源的設計[J].現代電子技術，2008，31（19）：107-109.

[5]張澤禮，翟擁軍.數控數顯直流電壓源的設計[J].濱州職業學院學報，2009，6（2）：31-33，75.

[6]吳謹繹，張永忠，張凌濤.一種新型低紋波高精度數控直流電流源[J].中南林業科技大學學報，2015，27（3）：159-162.