基于單片機的高壓線性電源設計

王春會，陳國明，王金圓

(朝陽師范高等?？茖W校 信息工程系，遼寧朝陽122000)

0 引言

廣大科研人員在進行電子產品的研發時，為了實驗數據的準確性，防止電源帶來的干擾，都傾向于使用高壓線性電源供電，但是高壓線性電源由于自身的缺點需要使用人員在使用中極為小心，防止發生過流、短路等情況發生.能否在線性電源中加入保護電路，使之能維持現有優點，同時克服其自身的缺點，已經成為現階段電源生產廠家必須考慮的難題.本文利用單片機功耗小、電路簡單、設計方便、反應迅速等優點，將單片機運用到高壓線性電源中，隨時監測負載電流，最終實現對電源的有效保護.

1 高壓線性電源構成框圖及穩壓原理

高壓線性電源整體構成框圖如圖1所示，首先將市電轉變為較低的交流電壓，整流濾波后，得到非穩定的直流電壓，再利用工作于線性狀態的調整管，根據大環路反饋返回來的代表輸出電壓的取樣電壓與基準電壓相比較得到的誤差電壓調整自身的導通程度，穩定輸出電壓.保護電路隨時監測電源工作狀態，對電路進行保護.

整機原理圖如圖2所示，穩壓原理如下：變壓器B1將市電轉變為兩路低壓交流電，一路經D3整流、C8濾波為主輸出電路供電，該路輸出電壓大于設計最高輸出電壓2 V，輸出電流大于額定輸出電流，另一路經D1整流、C1C2濾波再經U1穩壓得到穩定的12 V電壓為控制電路供電，同時經過U5穩壓，得到穩定的5 V電壓為單片機供電(注：兩路輔助供電的負極接主電路輸出正極).

Q2為輸出調整管，改變自身導通程度，輸出電壓隨之改變.電源上電后，控制電路得電進入工作狀態，R1、D2形成5 V基準電壓，一方面經R3、R7分壓得到過流保護的基準電壓，提供給運放LM358的一個運放的反相端6腳，與檢流電阻R13上取出的代表整機輸出電流的送至同相端5腳的電壓相比較，比較結果由7腳輸出，通過圖中參數可以計算得出輸出最大電流與R7的關系為：

R7=10*I0/(100-I)

另一方面經過R4、R8分壓，作為輸出電壓基準送至運放LM358的另一個運放的反相端2腳，與R5、R9、RADJ分壓得到的送至同相端3腳的電壓相比較，比較結果由1腳輸出，控制調整管Q1的導通程度，進而穩定輸出電壓，按照圖中參數可以得出輸出電壓和RADJ的關系為：

RADJ=2.04UO

調節RADJ即可實現電源從0 V連續調至最高電壓(低于輸入電壓2 V).

當輸出電流過流時，檢流電阻上的電壓使運放LM358同相端5腳的電壓高于反相端6腳的電壓，7腳輸出高電平經過D5、R6使Q1導通，調整管Q2的G極電壓降低，導通程度減弱，輸出電壓變小，電流下降，從而使輸出電流穩定在設計值.

這部分電路與其他成品線性電源電路核心原理基本一致，都是讓調整管工作于線性狀態來達到穩壓的目的.電路設計完成后讓單片機不工作，在正常電流范圍內，輸出電壓連續可調，使用無問題，各項指標滿足設計要求.但是，在高電壓輸入、較低電壓輸出的狀態下過流時，很短時間內調整管嚴重發熱，甚至擊穿損壞，如果短路，僅幾十秒時間調整管便由于超功率擊穿損壞，這與其他線性電源在使用中遇到的問題相同.本設計的創新點在于將輔助供電疊加在輸出電路之上，從而實現電源從0 V起調.

2 高壓線性電源保護電路設計

2.1 保護電路構成及工作原理

圖3所示電路中，保護電路就是基于主電路的上述缺點而引入的.為了減小電源體積，節省成本，本設計采用的單片機為STC15F104W[1]，是STC51系列單片機的一種，STC的8腳單片機有直插和SOP兩種形式的封裝，其中有6個I/O口，剩下2個是VCC和GND ，不需要帶晶振，內部自帶有時鐘發生電路[2].這6個I/O口實際上是普通51單片機上的P3口，除P3.1外，其他引腳均有復用功能,分別是5個外部中斷，3個時鐘輸出，1個復位輸入[3].芯片不需要復位電路，上電自復位，也可以通過軟件來選擇引腳作為復位腳.同時該種單片機內都有4k的EEPROM[4].

單片機隨時監測電源輸出電流.無過流現象時，單片機無輸出，對整機無影響；一旦有過流現象(LM358輸出高電平)，數秒后(根據客戶要求設定或根據負載的性質設定)單片機輸出脈沖電壓，經過U7(SN74LVC2G14DC)反相后使Q3工作于開關狀態，進而控制調整管Q2工作于間歇狀態，一旦過流故障解除，電源恢復正常輸出.

電流搭接完成經過實驗與設計思路完全吻合，負載為容性或感性時，均沒有出現問題，長時間過流和短路，電源均無損壞，保護電路完全可以對電源起到保護作用.

2.2 軟件設計

根據預想思路，設計流程圖如圖4所示.

根據流程圖，采用C語言編譯源程序如下：

#include

"reg51.h"#include

"intrins.h"#define

MAIN_Fosc 22118400L //定義主時鐘typedef

unsigned char u8;typedef

unsigned int u16;typedef

unsigned long u32;sbit OUT = P3^5;

// 延時關斷sbit IN = P3^4;

// 檢測過流

/************* 本地變量聲明 **************/

u8 b;

u8 c;

u8 e;

u16 f;

void delay(u16);

//1S延時void main(void)

{

IN = 1;

OUT = 1;

//加反相器了 b = 0;

while(1)

{

if(IN == 0)

{

if((IN == 0)&&(b == 0))

{

delay(2000);

//延時1s 恒流 b = 1;

}

OUT = 0;

//加反相器了 delay(500);

OUT = 1;

delay(30);

//導通時間長，短路時功耗大 }

if(IN == 1)

//恢復時，b置0 {

b = 0;

}

}

}

void delay(u16 xms)

//延時1s{

u16 i,j;

for(i=xms;i>0;i--)

//i=xms即延時約xms毫秒：根據客戶要求改動 for(j=1100;j>0;j--);

}

3 產品特性測試

拉偏測試:調節輸入電壓,輸出電壓調至24 V,帶5 A負載,測試結果如表1所示.短路測試:在輸入220 V輸出7V情況下，將輸出短路，測得輸出電壓波形如圖5～圖8所示.

表1 拉偏測試參數輸入電壓/V輸出電壓/V輸出電流/A紋波/mV17624.0052.0022024.0151.89 24224.0251.68

經過連續2 h短路，電源幾乎無溫升，未見其他異常.

4 結語

經過實際使用證明，加入單片機控制的線性電源可以隨時監測整機輸出電流，一旦出現過流，為了確保能帶感性或容性負載，克服其浪涌電流，單片機控制電源以最大電流輸出1～3 s(根據客戶要求或負載改動)，感性或容性負載如能在該時間內啟動，電流恢復正常，則電源也恢復正常工作，反之，電源進入脈動輸出狀態.與此同時隨時監測負載電流是否恢復正常，當輸出電流恢復至額定電流以下時，電源又開始正常工作.成品電源經測試、老化、實用均未出現普通線性電源可能出現的問題.交付使用后，客戶反映相較于原來使用的電源，電源性能完全滿足設計要求，帶感性和容性負載也不會出現一般線性電源的“打嗝”現象，長時間過流和短路電源無溫升，整機功耗很小.