0～30V可调数控直流稳压电源设计

常 虎，庞 帅

（国网淮南市潘集区供电公司，安徽淮南 232082）

0 引言

直流稳压调节电源，也称为直流稳压器，其功能是为负荷供给平稳的直流电压。稳压器的作用明显，能在输入或负载侧发生扰动时保证输出电压的相对稳定。稳压电源有纹波小，高调整率的特点，在工业控制、仪器仪表等领域发挥着重要作用。本文设计的稳压电源输出电压范围为0～30 V，可以实现“＋”“－”按钮步进电压调节功能，纹波在10 mV 左右，输出电压和输出电流可以通过液晶屏显示。

1 系统设计

可调数控电压源的硬件部分包括C8051F020 单片机、直流稳压电路、液晶显示电路和BCD 码键盘电路，能够在液晶屏上显示经电流电压采集电路采集，由单片机进行模数转换得出的电流、电压值。系统的数控调节过程如图1 所示，其硬件结构具有以下特点：①输出纹波电压较小；②高频干扰极低；③电压稳定度及负载稳定度高；④瞬时响应速度快。

图1 系统硬件结构

2 硬件设计

2.1 降压电路

降压电路首先通过电源变压器将220 V 交流电降为低压交流电，为了防止稳压器件两端的压差过大，将低压端设计成两个触点。当输出电压为15～30 V 时，输出的电压经过比例电路转变成单片机可接受的电压，经过单片机处理后给出一个高电平的动作，D2 就会由闭合转到通态，此时继电器K1 的触点和D2 连接。当输出电压为0～15 V 时，送入到单片机后进行处理，再给出一个低电平的动作，使三极管转为截止状态，继电器停止动作，始终与变压器触点闭合导通（图2）。

图2 降压电路

由于降压稳压器LM2575 的输入电压为7～40 V，对于电容性负载，变压器副边的输出电压U2与LM2575 的输出电压关系为Umin/（1.1～1.2）≤U2≤Umax/（1.1～1.2）。计算得U2的取值范围为6.4～36 V。所以副边两个触点的电压分别是18 V 和36 V。此外，在变压器的原边连接了熔断器，当通过的电流过大时熔断器熔断、切断电源输入，以达到保护电路的目的。

2.2 整流电路

（1）在正半周运行，当e2>Uc时，二极管D1 和D3管导通，D2 和D4管截止，电流通过电阻RL，同时给电容C 充电。当Uc>e2时，二极管D1和D3 管截止，D2 和D4 导通，此时电容C 开始放电，电流反向流过电阻RL，Uc会逐渐下降。

（2）在负半周运行，运行结果与正半周相反。当e2>Uc，二极管D1 和D3 截止，D2 和D4 导通，电流会再次流经电容C，并给它充电；此时Uc还在上升，直至到达容量最大值，然后开始逐渐下降，到达某一个阶段之后，二极管D1 和D3 管导通，D2 和D4管截止，此时电容C 放电，电流反向流过电阻RL，Uc会逐渐下降；放电放到一定程度时，D1 和D3 又会变成正半周导通时的状态，然后循环往复。

2.3 稳压电路

稳压电路部分采用了LM2575 降压稳压器，其主要作用是将整流后的电压转化为稳定的直流电压（图3）。LM2575 的参数为：Uo=1.23～37 V，Imax=1 A，输入电压的范围为7～40 V。R 取240 Ω，则输出电压：Uout=1.23（1+R1/RP）。当比例放大器的输出电压为0时，RP与R1相比值很大，可近似为R1/RP=0，所以Uout=1.23 V。

图3 稳压电路

2.4 电压采集电路

电压采集电路如图4 所示。因为输入单片机的电压只能是0～5 V，所以要将0～30 V 的输出电压通过电阻分压成比例地降至0～5 V。取R18=5 kΩ，R19=1 kΩ，将输出的0～5 V 电压送到单片机处理。

图4 电压采集电路

2.5 电流采集电路

电流采集电路如图5 所示。

图5 电流采集电路

电路中有以下关系：

Un=Up

Up/Uo=R22/（R22+R20）=1/（1+39）=0.025

Un=Io×（R23×R24）/（R23+R24）=0.075Io

Uo=3Io

放大器会将电压值送到单片机进行处理，再经过软件程序的编程处理，将其对应的电流值显示在液晶显示屏上。

2.6 过流、过压保护电路

过流、过压保护电路如图6 所示。继电器动作由单片机C8051F020 的P3.3 端控制，当电路电压、电流处于正常状态时，P3.3端输出高电平，继电器吸合，电路正常运行。当单片机采集的电流信号大于预设值时，P3.3 端输出低电平，继电器释放，电路开路。检测的电流低于预设值时，P3.3 端输出高电平，继电器吸合，电路通路。

图6 过流、过压保护电路

2.7 报警接口电路

蜂鸣器的工作机理是，当电磁线圈内有电流通过时蜂鸣器发出报警声。由于电磁线圈在线圈通过电流时内部磁场发生变化，可以以此驱动振动膜。由于单片机自身的带负载能力相当小，仅以单片机的输出电流无法驱动蜂鸣器，因此需要设计电流放大电路，通过单片机输出电平控制三极管8050 的关断和导通，进而控制蜂鸣器鸣响。

2.8 功率器件的散热设计

由于电源电路中电流较大，产生的热量也比较多，如果不能及时散热，会使芯片过热，导致其稳定性下降，甚至会烧坏芯片。为了将产生的热量及时散热处理，在芯片上添加散热片，使其处于正常的工作温度。由于芯片和散热片之间存在间隙，导致散热性能不佳，需要在导热接触面涂抹导热硅脂，提高导热性能。

3 软件设计

系统的软件组成部分主要包括主程序、读取设定值子程序、调节输出子程序等，数据收集任务由中断子程序执行。

（1）主程序。主程序主要实现实时检测电流、电压数据，并把采集的数据与设定值进行比较，通过PID 运算得到PWM 波形占空比所对应的定时器计数值，从而完成定时器的设定，达到调节PWM 占空比的目的（图7）。

图7 主程序流程

（2）调节输出子程序。调节输出子程序如图8 所示，该子程序主要判断是否存在过压、过流的情况，若超过限定值则进行报警。在正常工作情况下，调节输出子程序用于判断电源的工作状态是在恒压模式，还是恒流模式，进而调用对应的电压、电流调节子程序，实现恒压或恒流控制。

图8 调节输出子程序

4 结束语

实验表明，基于C8051F020 单片机的数控直流稳压电源实现了设计要求的目标，纹波小、抗干扰能力强、调整率好。但也存在缺点，主要有：体积大、损耗大、效率低，且过载能力较差。