数控直流稳压电源专业设计

    稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源应用非常广泛,但只有质量优良的直流稳压电源,才能满足各种电子设备的要求。本文利用单片机数字控制技术,采用PWM进行闭环调节,设计出一款性价比高的多功能数字化通用直流稳压电源。该设计除了具有对电压的数字控制功能外,还可实时监测实际电压、电流输出,效率高,稳定度强。同时,该设计具有调节精度高、功能多、液晶实时监测显示等诸多优点。

1 电源组成及工作原理
    数控直流稳压电源主要由整流滤波电路、稳压电路、采样电路、PWM控制电路、键盘电路、显示电路和主控电路构成。系统框图如图1所示。

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    一般而言,现在的数控直流电源按工作原理分为三类,分别为开关电源,相控电源和线性电源。这三类电源各有自身的优缺点。就数字控制部分而言,这些电源的控制方式是一致的,即脉宽控制。因线性电源稳压精度较高,输出纹波电压也较低,在这里主要讨论线性电源的设计。
    数控电源的工作原理是将输入的交流电源经变压后,整流滤波,通过PWM调节三端稳压器(开关电源为开关管)来达到调节输出的目的。然后通过A/D采样,将数据交由单片机处理,利用闭环调节来保证稳定可控的输出。
2 系统硬件电路设计
2.1 整流滤波电路
    电源很重要的一个性能指标就是纹波系数,期望纹波系数越小越好。为了获得更低的输出纹波,在电路的输入与输出端设计了滤波电路。输入级滤波电路如图2所示。

 

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    该电路输入电压为30 V交流,桥堆承受的最大反向电压为h.jpg,但考虑到采用的市电有升高的情况,需再乘以市电的升高值,一般市电升高10%的情况,则:i.jpg。滤波电路是以稳压电路为负载的,可以认为是恒流放电,则滤波电容的容量为C=IcT/  △Uc,因采用的是桥式整流电路,故最大放电时间可取交流电源的半周,本处三端稳压器最大负载电流为1500mA,则c.JPG =3750 μF。电容的耐压值Ucm应按照市电电压升的最大值,以及负载为空载时的情况来进行选择,即:Ucm=j.jpg。为留有一定余量,电容取50V/4700μF。
2.2 PWM稳压控制电路
    PWM稳压控制单元电路如图3所示。

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    PWM稳压电路中,直接用PWM的输出经RC滤波后送到
LM317的调节端,但是如果采用这种控制方式不是很稳定,一定要有一种回馈才能保证输出电压的稳定。该设计采用的是用A/D获取到的当前输出电压值,通过算法处理来改善动态性能。
    在通过RC滤波时,要根据实际应用合理调节R和C的值,在保证滤波效果时,保证尽量小的时间常数。该电路采用的是RCπ型滤波,容值根据实际电路调整。
3 系统软件设计
    数控电源的软件与硬件高度结合,是影响数控电源响应速度,输出稳定性,扩展能力的关键因素,该设计软件部分包括A/D采样、PWM控制、键盘输入、液晶显示和运算这几个模块。流程图如图4所示。

 

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    PWM闭环控制软件程序:
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    为防止电源上电瞬间输出未知,从而产生误操作的情况,系统软件设置上电输出电压为0 V,用户可以通过按键来控制输出电压信号。同时,运用单片机对信号进行处理,从而达到调节PWM输出。电源系统通过A/D采样电压电流值,与用户设定值作比较,按照闭环控制算法来使输出符合要求,同时将输出结果及实时运行情况通过液晶显示来反映。

4 测试及结果分析
    该设计通过调节PWM脉宽宽度来改变输出电压,脉宽从0%~100%,输出从1.5 V变化到30 V。当PWM脉冲宽度为60%时,输出为17.97 V,与预设的18 V基本一致,符合设计要求,满足实际使用。其输出直流电压与PWM控制波形如图5所示。

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5 结语
    基于STC12C5410AD的数字电源设计,充分利用了半导体芯片的优势,使电路稳定,简洁,可靠。实际电路样品经测试,输出稳定、负载能力好、精度高,达到了预期的设计要求。通过修改程序可实现一次设计,反复使用,并易于扩展,因此具有很好的应用价值。