稳压电源的设计与制作

摘 要：分析了直流稳压电源的基本构成及相关技术指标，阐述了利用单片机系统对线性或开关稳压电源进行技术改造的基本原理。

关键词：稳压电源；线性稳压；开关稳压；单片机

引言

除采用干电池、蓄电池供电外，各种电子设备运行所需电能，通常都需要整流器将交流电转换成直流电，然后才可以供各设备系统使用。但是，一旦交流电源的供给电压或负载电流波动，会直接导致整流器的输出电压不稳定，进而影响各种电子设备的使用性能，如导致电子计算机、精密电子仪表出现计算测量误差，引起工业电子设备、自动化生产线的自动控制装置工作不稳等。因此，开发具有良好输出功能、可高精度调控的直流稳压电源，对保障国防、科研、企业等领域生产的稳定性非常有必要。

1 直流稳压电源的基本结构及技术指标

直流稳压电源的一般结构是将变压器、整流器、滤波器和直流稳压器依次整合，其中，变压器将市电交流电压转换成低压交流，然后由整流器转变成直流，经滤波器和直流稳压器后形成直流稳压输出。

评价一台直流稳压电源的优劣，需要对其关键技术指标进行测试和分析，主要包括：

（1）相对稳压系数S：指负载电流保持不变的情况下，直流稳压电源的输出直流电压的相对变化量与输入交流电压的相对变化量的比值，

小，在工程应用中S通常取10-2-10-4。

（2）负载调整率Su：指在额定交流输入电压下，负载电流发生从0到最大值的变化时，输出电压的最大相对变化量，即S×100%。

（3）输出电阻R0：对于稳压电源，当负载电流变化时，输出电压应基本保持恒定，这方面的性能可以用输出电阻来表示，即R0=。可见，R0越小，负载电流的增大量或减小量，引起的稳压电源来输出电压的变化也越小，说明电压稳定性越好。

（4）纹波系数r：指输出电压中交流电压分量（纹波电压）占额定输出电压的百分比，即r=×100%。r值越小，输出电压中的纹波电压分量越小，通常是几毫伏，甚至低于1mV。

2 直流稳压电源的设计

目前，市场上常用的直流稳压电源，根据其调整元件的区别，主要包括线性稳压和开关稳压两种。线性稳压电源是通过调整等效电阻的控制信号来获得稳压输出，而开关稳压电源是通过调节开关调整管的导通时间来实现稳压输出。

通常，直流稳压电源仍采用串联反馈式线性连接方式，需要通过电位器实现对输出电压的调整。但是，电位器的阻值是非线性变化，并且调节范围窄，使得稳压电源在输出特性上难以实现高精度和高稳定性输出。然而，将单片机系统作为直流稳压电源的主控制单元，对传统的电源设计进行优化，可以实现对输出特性的高精度、稳定控制，可以实时显示输出电压参数，并且其保护功能更加完善，可以实现对过压、过流等异常的自动保护。

2.1 基于单片机的线性稳压电源

为了提高线性稳压电源的输出精度和稳定性，以低能耗、高效率、易编程的16位MSP430F149单片机作为控制核心，对线性稳压电源进线技术改造，其基本结构如图1所示，主要包括MSP430F149单片机系统、串联线性稳压控制模块、电压电流采样模块、保护装置和显示模块等几部分。具体如下：（1）该系统中所使用的MSP430F149单片机系统由TI公司研发，其指令执行速度高达8MIPS，功耗低，并且系统内部带有PWM输出模块、12位A/D转换模块等稳压模块。（2）串联线性稳压控制模块中的调整管由TL431基准源和两个大功率NPN型三极管3DD15D（Q1和Q2）复合组成，其中Q1和Q2分别提供基极电流和射极电流。当输出电压升高时，2个分压电阻间的采样电压增大，此时需要TL431输出低电压进行反相控制，从而降低三极管Q2的基极电压和Q1的射极电压，进而保证输出电压稳定在设定值。当输出电压降低时，通过上述相反的调压过程，保证稳定输出。（3）对于电压电流采样模块，则可通过MSP430F149单片机内部的A/D转换模块进行电压或电流的采样，即输出的电压经采样电阻后，进行滤波和信号放大，然后直接输入到A/D转换模块，从而对实际输出电压进行采样和分析，采样速率达200kbps。（4）LCD显示模块采用液晶屏，用于显示采样的负载电压、负载电流和额定功率。

2.2 基于单片机的开关稳压电源

以MSP430单片机作为主控器件的开关稳压电源的系统结构，如图2所示，主要包括整流滤波电路、DC/DC转换电路、电压采样电路、PWM驱动电路和过流保护电路等。

（1）MSP430主控器件采用MSP430F449单片机，用于PI调节电压反馈，产生PWM波、设定基准电压及显示电压电流，并进行过流保护。（2）DC/DC转换电路：市电交流电压经滤波电路整流后，在输送到负载前，需进行DC/DC转换。在DC/DC交换器中采用Buck降压斩波电路，通过PWM波以一定的占空比重复导通和切断PWM开关组合，这种导通/切断过程会对直流输入电压进行斩波，形成高频脉冲方波电压。当PWM开关导通时，二极管关闭，输入端电压对电感L充电储能，并传输到负载；当PWM开关切断时，电感L感应出左负右正的感应电压，二极管此时作为续流器件，形成负载、二极管和电感组成的回路，释放电感中储存的电能，从而维持直流电压不变。（3）PWM驱动电路：MSP430F449单片机产生的PWM波需要驱动电路（图3）进行驱动，才能传输到DC/DC交换器中。为了防止强电侧电压回流和保护弱电单片机，先用开关光耦对PWM波进行光电隔离，然后经三极管到达驱动电路的IR2101芯片，经芯片5管脚输出，开始工作。

3 结束语

以单片机作为主控单元，对线性或开关稳压电源进行改造，可以实现对输出电压的高精准和高稳定控制，对于具有良好输出特性的多功能、智能化稳压电源技术的开发具有一定的参考价值。

参考文献

[1]黄天辰，荣广宇，李丹丹，等.高精度数控直流稳压电源的设计与实现[J].化工自动化及仪表，2012（1）：80-83.

[2]徐海峰.高精度数控稳压电源的设计[D].济南：山东大学，2012.

[3]蒙飚.基于MSP430的线性稳压电源设计与制作[J].轻工科技，2014（1）：28-30.

作者简介：李凤琴（1986-），女，汉族，贵州凯里人，硕士，助教，研究方向：电子技术。