數顯可調直流穩(wěn)壓電源的設計

南華大學電氣工程學院 王 浩 李月華 陳文光 袁克凱 韓奈澤 左 芊 周 威

直流穩(wěn)壓電源是將電能進行轉化的裝置，在實際使用中直流穩(wěn)壓電源多為定壓輸出，且無數字化電壓顯示，對使用造成了不便。針對電壓連續(xù)可調和數字化電壓顯示的需求，設計了一種基于XL4016的數顯可調直流穩(wěn)壓電源，由220V市電供電、直流電壓輸出調整范圍為2.5V-25V、最大輸出電流為3A、且?guī)в羞^流過壓保護功能的數顯可調直流穩(wěn)壓電源，本數顯可調直流穩(wěn)壓電源具有輸出電壓可調，可直觀顯示電壓，具有過流過壓保護的特點。其中的DC-DC電路也同時應用于一種小功率電動車輛功率補償裝置。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

本電源由220VAC供電，經過電源變壓器后輸出24VAC，再經過整流與濾波電路，將交流電轉化為穩(wěn)定的直流電，再經過DC-DC電路，將穩(wěn)定的直流電進行降壓，降壓的幅度可以調整，實現2.5-25V直流電壓輸出，最后為了控制紋波系數，加入LC濾波電路進行濾波，實現較低的紋波系數。顯示電路實時對DC-DC的輸出電壓進行采樣，并在數碼管上顯示出來，實現輸出電壓的數字化顯示功能。設有保護電路，能在過流和過壓時自動切斷負載輸出。

1.2 整流與濾波電路設計

整流電路設計選用KBU1010整流橋，最大通過電流為10A，橋后采用電容濾波電路。利用電容的充放電特性，可以將脈動的直流電轉化為穩(wěn)定的直流電，濾波電容通常采用如下計算公式：

因此，選用一個50V1000uF與一個50V470uF的電容并聯使用作為濾波電容。另外再并聯一個0.1uf獨石電容，用于濾除高頻紋波。

1.3 DC-DC電路設計

為了追求更高的效率，在DC-DC部分采用BUCK拓撲進行設計，BUCK電路中開關管需要控制器控制，為簡化控制器外圍電路，采用高度集成的XL4016芯片作為控制器，此控制器內集成了開關管，1.25V基準電壓源，MOS驅動電路、180KHZ鋸齒波發(fā)生器、軟啟動電路等。使其外圍電路更加簡單。設計電路如圖1所示。

圖1 DC-DC電路

對于XL4016電路，采用如圖參數，輸入電容用于進行緩沖，避免開關管導通時引起的電源端電壓驟降。二極管選用大電流快恢復二極管。為降低開關電源紋波較大，因此選用小容量獨石電容、大容量電解電容進行輸出濾波。同時在輸入端加入小容量獨石電容濾除高頻紋波。可調電阻進行輸出電壓分壓送入FB端，用于調整輸出電壓。在其后增加比較電路與控制電路送入反饋，可以組成中小功率電動車輛電源功率補償裝置的重要組成部分。

1.4 LC濾波器設計

經過整流橋后的電容濾波后，并不能完全的消除紋波，為了使紋波系數更低，因此在DC-DC電路后設計LC濾波電路進行進一步的濾波。開關電源開關頻率為180KHz，將截止頻率設置為遠低于開關電源開關頻率效果較好，LC電路截止頻率為：

采用470uf電容與47uh電感，將截止頻率設置為1071Hz，用于濾除高頻紋波。

1.5 顯示電路設計

電壓顯示電路可以將電壓轉化為數字量進行顯示。本直流穩(wěn)壓電源的顯示部分采用ICL7107芯片，此芯片將數據采集、數據處理、顯示驅動集于一身。實際使用電路圖如圖2所示。

圖2 LCL7107電路

其震蕩頻率為0.45RC，典型震蕩頻率為45KHZ，因此選用100K電阻與100PF電容連接至芯片的40、39、38腳。用一四腳按鍵串聯至芯片37腳與5V之間，當按下按鍵后可實現測試功能。35腳與36腳為基準電壓輸入引腳，采用電阻分壓提供基準電壓。調零電容選用典型值100nf。將輸入電壓分壓100倍后，經過1M限流電阻與0.02uf的濾波電容與芯片31、30引腳連接，因此芯片采樣電壓總為真實值的1%。采用470nf電容、220nf電容、47k電阻作為積分網絡。采用震蕩電路信號，驅動一負壓電荷泵，產生負電壓供給芯片。驅動引腳連接共陽極數碼管進行顯示。

1.6 保護電路設計

保護電路采用繼電器作為開關，采用三極管驅動繼電器和指示燈。三極管信號由運放提供，運放設置正反饋，當正輸入端電壓大于負輸入端電壓時實現自鎖。設置有復位按鍵，當發(fā)生保護時可手動復位。具體電路如圖3所示。

圖3 具體電路圖

輸入電壓經過一個15K電阻和1K進行分壓，作為采樣電壓輸入比較運放，同時在負載低端串聯一個0.1歐姆的采樣電阻進行電流采樣。電流采樣信號送入同向比例放大電路中進行放大，放大倍數為11倍，放大后送入電流比較運放。電流與電壓比較運放外圍均有LED驅動電路，可以在保護電路動作時進行顯示。采樣信號從運放的同向輸入端輸入，運放的反向輸入端接精密可調電阻，一旦采樣信號電壓高于精密可調電阻電壓，輸出端電壓上升，經過二極管正反饋到同向輸入端實現自鎖，按下按鍵后解除自鎖。運放輸出端輸出信號經過三極管驅動LED和繼電器，實現LED顯示與繼電器斷開。

2 系統(tǒng)調試與測試

功率電路測試：將變壓器接入市電，測試變壓器輸出電壓是否正常，再將變壓器輸出接入整流濾波與DC-DC電路，調整輸出電壓旋鈕，觀察整流濾波與DC-DC電路是否正常工作。記錄數據如表1所示。

表1 功率電路測試數據

數據表明本設計功率電路運行可靠，電壓可調整至2.5V-25V。

顯示電路測試：將顯示電路采樣端接入可調直流電源，將萬用表表筆夾入顯示電路采樣端，觀察顯示電路數碼管數據是否與電壓表顯示一致。記錄數據如表2所示。

表2 顯示電路測試數據

數據表明，電壓表顯示電壓與數碼管顯示電壓基本一致，本設計顯示電路工作正常，顯示準確。

保護電路測試：接入保護電路，使用滑動變阻器作為負載，先將滑動變阻器阻值調整到最大，漸漸調整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，觀察保護電路動作時電壓，并調整為合適動作電壓。再將直流穩(wěn)壓電源輸出電壓調整為固定值，漸漸減小負載電阻，觀察保護電路動作時電流，并調整為合適電流保護值，記錄數據如表3所示。

表3 保護電路測試數據

數據表明，過流過壓保護電路可以在設定值處進行保護，各次保護動作條件穩(wěn)定。

3 設計總結

本文設計了一種基于XL4016的數顯可調直流穩(wěn)壓電源，經過實驗數據測試表明本電源實現了直流電壓輸出調整范圍為2.5V-25V、最大輸出電流為3A、帶有過流過壓保護功能的設計指標。本設計實用性更強，適配性更高，為電源的使用帶來了便利。但本設計仍有不足，在保護功能中，電壓與電流保護閾值均通過旋鈕調節(jié)，旋鈕調節(jié)量無法以數字形式直觀展現，因此本設計可以在后期采用單片機加以改善，并采用單片機做進一步的顯示、采樣與控制，更加為電源的使用提供便利，同時也為中小功率電動車輛電源功率補償裝置的開發(fā)奠定基礎。