可視化直流穩(wěn)壓電源的開發(fā)

幾乎所有的電子電路都需要穩(wěn)定的直流電源，特別是在檢定檢修指示儀表時，除了要有合適的標(biāo)準(zhǔn)儀器外，還必須要有合適的直流電源及調(diào)節(jié)裝置。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源已經(jīng)具備了上述功能，且在穩(wěn)壓方面已經(jīng)達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)，能滿足各種場合的需求。

在實際的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)過程中，為了檢測產(chǎn)品的相關(guān)功能參數(shù)，通常需要了解電流的變化情況，而傳統(tǒng)的電源不能提供實時電流參數(shù)，此時必須使用萬用表等儀器來測量電流值，其過程繁瑣，影響工程進(jìn)度。因此，迫切需要一種具備傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的功能，同時能顯示電壓、電流參數(shù)的電源設(shè)備。本文將以此為出發(fā)點介紹一種可以觀察電壓、電流值實時變化的穩(wěn)壓電源。

本文介紹一種可視化直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)監(jiān)測電壓值，采用輸出端壓降方式計算電源輸出電流，并將電源電壓、電流值通過LCD液晶顯示器實時顯示。電源部分采用開關(guān)型穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓電路相結(jié)合的方法設(shè)計。

設(shè)計要求
可視化直流穩(wěn)壓電源主要給實驗室等小功率電子設(shè)備提供工作電壓，在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+15%～-20%條件下應(yīng)具備以下功能：
①輸出電壓可調(diào)范圍為5V～12V；
②最大輸出電流為1.5A；
③電壓調(diào)整率≤0.2%；
④負(fù)載調(diào)整率≤0.1%；
⑤效率≥40%；
⑥具有過流及短路保護(hù)功能；
⑦實時顯示電壓、電流值。
可視化直流穩(wěn)壓電源設(shè)計的關(guān)鍵在于穩(wěn)壓以及電流、電壓的精確顯示。

設(shè)計方案
本系統(tǒng)以STC89C52RC為顯示模塊，主電路采用DC/DC變換器與線性調(diào)節(jié)器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，既減小了輸出紋波電流，又降低了系統(tǒng)的功耗。系統(tǒng)采用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135實現(xiàn)輸出顯示，單片機(jī)系統(tǒng)通過對輸出電壓的檢測來讀取顯示電壓和電流值，并通過用LCD液晶顯示輸出電壓電流值。

圖1 硬件主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件主電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。220V、50Hz電壓通過變壓器降壓及整流濾波后得到所需直流電壓，該電壓通過開關(guān)電源電路實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。電子濾波器進(jìn)一步降低開關(guān)電源的輸出紋波。從電子濾波出來的電壓經(jīng)過精密電阻后即是輸出電壓。在精密電阻前后分別進(jìn)行兩次電壓采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)將輸出采樣電壓作為系統(tǒng)的輸出電壓送入LCD上顯示。同時單片機(jī)還將輸出采樣電壓與比較采樣電壓進(jìn)行減法運(yùn)算，將壓降值通過精密電阻轉(zhuǎn)換為電流值也送入LCD顯示。

硬件系統(tǒng)
1電源主電路設(shè)計
主電路采用開關(guān)電源（DC/DC變換器）和線性調(diào)整晶體管相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，電路原理如圖2所示。開關(guān)電源部分使用的是L4960芯片。該芯片最大輸出電流為2.5A，輸出電壓范圍為5.1～40V，具有較高的開關(guān)頻率（典型應(yīng)用為100kHz），效率可達(dá)90%，芯片內(nèi)部具有過熱保護(hù)、過流保護(hù)的功能，只需很少的外部元件就可構(gòu)成大電流輸出的開關(guān)電源。芯片的技術(shù)性能可以滿足設(shè)計要求。

圖2 電源主電路圖

220V、50Hz的電經(jīng)變壓器降壓及整流濾波后得到大約24的直流電壓，該電壓加到開關(guān)電源的輸入端。L4960的輸出電壓由下式計算：
Uo=UREF(1+R4/R3)=5.1(1+R4/R3) (1)
系統(tǒng)要求輸出電壓能達(dá)到12V，考慮到線性調(diào)節(jié)部分的壓降，該電路的最高輸出電壓設(shè)計在15V左右。反饋引腳（2腳）引入到電子濾波器（線性調(diào)節(jié)器）回路，根據(jù)輸出電流和負(fù)載電阻的大小，自動降低輸出電壓來減小線性調(diào)節(jié)器的功耗。R4采用10K電位器調(diào)節(jié)，由式（1）不難算出，當(dāng)R3=1K時，U0 = 5.1～15V。
圖2中的電子濾波器（即線性調(diào)節(jié)器）由R6、C7和VT1組成。僅由R4和C7組成的RC低通濾波器雖然能減小U0輸出的紋波電壓，但其帶負(fù)載能力很差。為此增加了一級射隨器VT1，它采用電流放大系數(shù)的達(dá)林頓晶體管TIP122，來提高低通濾波器帶負(fù)載的能力。圖2中C7的大小對濾波效果影響顯著，該值為100μF時紋波電流很小，但小電流輸出時的動態(tài)響應(yīng)較慢，故本設(shè)計中的C7取值為10μF。

需要指出，利用晶體管電子濾波器（亦稱有源濾波器），可在同樣濾波性能下使用較小的濾波的濾波電容C7，獲得采用大電容的濾波效果。其等效電容約為βC7，β為達(dá)林頓管VT1的電流放大系數(shù)。

該電子濾波器引入了對開關(guān)電源電壓的控制功能，當(dāng)負(fù)載電阻很小時需要較低的輸出電壓（如5V），如果U0保持15V不變，當(dāng)輸出電流很大時（如2000mA），VT1的功耗會達(dá)到24W，必須為VT1安裝很大的散熱片。加入VT2和R5后，當(dāng)調(diào)整管VT1的C-E結(jié)壓差過大（大約3個PN結(jié)壓降之和，即 2.1V）時，會使VT2導(dǎo)通，產(chǎn)生附加的控制電流進(jìn)入FB端，使U0自動下降，這時VT1的功耗將下降到大約4W，大大提高了電源的效率。

在系統(tǒng)的輸出端設(shè)計了一個精密電阻，系統(tǒng)在精密電阻兩端都對電壓進(jìn)行了采樣，用于檢測輸出電壓和電流。當(dāng)然，系統(tǒng)對精密電阻的精度、功率、阻值溫度系數(shù)和分布參數(shù)各項指標(biāo)都比較高，否則電流檢測準(zhǔn)確度就會受到很大的影響。目前，金屬箔精密電阻的精度可達(dá)10-6，溫度系數(shù)可達(dá)0.310-6/℃，分布電容可低于0.5pF，分布電感可低于0.1μH，已經(jīng)可以滿足設(shè)計需要。

2 顯示部分電路設(shè)計
本設(shè)計的控制核心使用AT89C51單片機(jī)，由于外部設(shè)備大多采用串行接口，單片機(jī)的外圍電路就十分簡單，只要外接晶體振蕩器和復(fù)位電路即可。

圖3 LCD與89C52的接口

顯示電路的設(shè)計如圖3所示，用89C52的P2口作為數(shù)據(jù)線，用P0.1、 P0.2、P0.3分別作為LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號本模塊設(shè)計要點如下：
顯示模塊初始化，首先清屏，再設(shè)置接口數(shù)據(jù)位為8位，顯示行數(shù)為1行，字型為57點陣，然后設(shè)置為整體顯示，取消光標(biāo)和字體閃爍,最后設(shè)置為正向增量方式且不移位。向LCD的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用2個字符數(shù)組，一個顯示字符，另一個顯示電壓數(shù)據(jù)，要顯示的字符或數(shù)據(jù)被送到相應(yīng)的數(shù)組中，完成后再統(tǒng)一顯示。首先取一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)送到LCD的顯示緩沖區(qū)，程序延時2.5ms,判斷是否夠顯示的個數(shù)，不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數(shù)據(jù)。

圖4 MAX232引腳功能圖

3 通信電路模塊
89C52內(nèi)部已集成通信接口URT，只需擴(kuò)展一片MAX232芯片將輸出信號轉(zhuǎn)換成RS-232協(xié)議規(guī)定的電平標(biāo)準(zhǔn)即可。MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，如圖4所示，每個接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V的TTL/CMOS電平。每個驅(qū)動器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA-232-E電平。EIA接口把5V轉(zhuǎn)換為 -8～-15V電位，0V轉(zhuǎn)換為8～15V，再經(jīng)RXD輸出，接收時由RXD輸入，把 -8～-15V電位轉(zhuǎn)換為5V，8～15V轉(zhuǎn)換為0V。

軟件系統(tǒng)

圖5 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序如下圖5所示。系統(tǒng)初始化端口，掃描電源輸出電壓（即輸出采樣電壓和比較采樣電壓），然后計算壓降進(jìn)而計算出電源輸出電流，再將電壓、電流輸出到端口，調(diào)用顯示子程序，顯示電壓、電流值。
顯示子程序如下圖6所示。顯示子程序是針對ICL7135A/D與單片機(jī)接口電路設(shè)計的軟件。程序開始后設(shè)計顯示器，對LCDM1602B進(jìn)行一次清屏，使其各個指令、數(shù)據(jù)寄存器的值進(jìn)行清空，屏幕不顯示任何字符。然后進(jìn)行第一行位置的設(shè)置，顯示對應(yīng)的“電流”、“電壓”等字符，再進(jìn)行第二行位置設(shè)置，顯示電壓、電流值。

圖6 顯示子程序流程圖

結(jié)束語
可視化直流電穩(wěn)壓源除了具備傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源的功能之外更是增加了電壓、電流的可視化功能，在使用過程中省去了檢測電流的繁瑣過程，簡單、方便、快捷。本電源可以廣泛地應(yīng)用于各類電子實驗室，尤其是企業(yè)研發(fā)部門的實驗室，對于縮短產(chǎn)品研發(fā)周期有很積極的意義。