基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓?fù)涞牟粩喑霈F(xiàn)，傳統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，由于功率器件性能的限制使開關(guān)電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓?fù)浜托滦偷目刂萍夹g(shù)，可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài)，為了提高開關(guān)電源工作效率，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源，十分必要。

　　1、幾種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案比較

　　1.1幾種設(shè)計(jì)方案電路原理

　　方案 1 : 采用模擬的分立元件，利用純硬件來實(shí)現(xiàn)功能，通過電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源穩(wěn)定輸出±5 V、 ±12 V、±15 V并能可調(diào)輸出 0~ 30 V電壓，見圖 1所示。但由于模擬分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，因此所設(shè)計(jì)的指標(biāo)不高、不符合設(shè)計(jì)要求、且使用的器件較多、連接復(fù)雜、靈活性差、功耗也大，同時焊點(diǎn)和線路較多，使成品的穩(wěn)定性和精度受到影響。

圖 1 方案 1電路原理

　　方案 2 : 此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套雙計(jì)數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，其中二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過 D /A 變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制輸出步進(jìn)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器通過譯碼后驅(qū)動數(shù)碼管顯示輸出電壓值，為了使系統(tǒng)工作正常，必須保證雙計(jì)數(shù)器同步工作。

圖 2 方案 2電路原理

　　方案 3 : 此方案不同于方案 1之處在于使用一套十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為 EPROM的地址輸入，而由 EPROM 的輸出經(jīng) D /A變換后控制誤差放大同步的問題，但由于控制數(shù)據(jù)燒錄在 EPROM中，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性降低。

圖 3 方案 3電路原理

　　方案 4 : 此方案采用 51系列單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使開關(guān)控制電源輸出電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實(shí)際輸出電壓值的大小，經(jīng)過 ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)實(shí)時對電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過 D /A 轉(zhuǎn)換器( DA0830)輸出模擬量，再經(jīng)開關(guān)電源控制電路，使得輸出電壓達(dá)到穩(wěn)壓的目的。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流 /電壓轉(zhuǎn)變后,通過 A /D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量,經(jīng)單片機(jī)分析處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電壓源。而且采用PWM 控制的開關(guān)電源，該電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。而且在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng)，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。

圖 4 方案 4電路原理

　　2、 方案的比較與論證

　　( 1)輸出模塊

　　方案 1：采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準(zhǔn)電壓的方式使輸出不僅增加 /減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出地影響，此輸出只能是用萬用表量出。而方案 2、方案 3中使用運(yùn)算放大器做前級的運(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以減少輸出端的紋波電壓。在方案 1中，為抑制紋波而在線性調(diào)壓電源輸出端并聯(lián)的大電容降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這樣輸出的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案 4中的輸出電壓波形與 D /A 變換輸出波形相同，不僅可以輸出直流電平，而且只要預(yù)先生成波形的量化數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生多種波形輸出，使系統(tǒng)有一定驅(qū)動能力的信號源。

　　( 2)數(shù)控模塊

　　方案 1利用純硬件來控制電壓的輸出，其中最基本的電路原理分析，需要計(jì)算負(fù)載的大小，穩(wěn)壓管的選擇有關(guān)，方案 2、方案 3中采用中、小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差，如方案 1中的雙計(jì)數(shù)器一旦出現(xiàn)計(jì)數(shù)不同步時，會導(dǎo)致顯示電壓與輸出電壓不一致。在方案 4 中采用AT89C51單片機(jī)完成整個數(shù)控部分的功能，同時,AT89C51作為一個智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。

圖 5 方案 5數(shù)控模塊

　　( 3)控制模塊

　　在該系統(tǒng)中，采用具有 D /A轉(zhuǎn)換功能的 PWM 調(diào)節(jié)電路、斬波電路、闊流器和可調(diào)穩(wěn)壓管 ( LM317)去控制輸出參考電壓，在利用 A /D轉(zhuǎn)換采樣，使輸出更準(zhǔn)確，且紋波小，電流亦可擴(kuò)展，容易保護(hù)電路。

　　( 4)顯示模塊

　　方案 2、方案 3中的顯示輸出地對電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出，顯示值為 D /A變換的輸入量，由于 D /A變換與功率驅(qū)動電路引入的誤差，顯示值與電源實(shí)際輸出值之間可能出現(xiàn)較大偏差。方案4中采用 A /D轉(zhuǎn)換電路，通過對輸出電壓的采樣，經(jīng)過單片機(jī)的分析處理，通過數(shù)據(jù)的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，這樣使得顯示值與實(shí)際輸出之間的偏差減為最小。方案 4采用 4位數(shù)字電壓表直接對輸出電壓采樣并顯示輸出實(shí)際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預(yù)制值與輸出值偏差過大，用戶可以根據(jù)該信息予以處理，還采用了鍵盤 /顯示器的查詢時間，提高了CPU的利用率。

　　3、結(jié)束語

　　如前所述，雖然方案 3比前兩者有許多優(yōu)點(diǎn)，但方案 1、方案 2對于完成設(shè)計(jì)要求并非不可行，而且在某些方面還具有優(yōu)勢，之所以采用方案 4 ，一個很重要的考慮是系統(tǒng)使用了單片機(jī)，使得進(jìn)一步的功能擴(kuò)展較為方便。