高精度數(shù)控可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計*

吳茂成 ，許宜申 ，顧濟(jì)華 ，陶 智 ，卜樹坡

(1.蘇州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，江蘇 蘇州215104)

直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)領(lǐng)域的常用儀器設(shè)備之一，能在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動或負(fù)載發(fā)生變化時提供穩(wěn)定的直流輸出電壓。常規(guī)的直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等部分組成，大多采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓原理，通過調(diào)節(jié)輸出端取樣支路中的電位器來改變輸出電壓值。由于電位器阻值變化的非線性和調(diào)節(jié)范圍限制，普通直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓精度不高。隨著使用時間的增加，用于粗調(diào)的波段開關(guān)和用于細(xì)調(diào)的電位器的接觸不良也會對輸出電壓產(chǎn)生較大影響，且調(diào)節(jié)較為繁瑣[1-2]。

針對常規(guī)直流穩(wěn)壓電源的上述缺點(diǎn)，設(shè)計了一款數(shù)控可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，其輸出電壓 0～30 V可調(diào),輸出電流最大值可達(dá) 4 A，輸出電壓精度高且穩(wěn)定性強(qiáng)，參數(shù)設(shè)置操作簡便，還可實時監(jiān)測并顯示實際的電壓/電流輸出值。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，主要包括整流濾波單元、輸出電壓/電流采樣及調(diào)整電路、微處理器單元、顯示控制單元以及常用電壓輸出單元等。

圖1 數(shù)控電源原理框圖

該電源利用運(yùn)算放大器放大輸出設(shè)定值與實際輸出值之間的誤差，通過電路閉環(huán)負(fù)反饋方式調(diào)節(jié)MOSFET管的工作點(diǎn)，實現(xiàn)電壓/電流的穩(wěn)定可控輸出，具有恒壓、恒流兩種工作模式。

系統(tǒng)配備了兩套顯示控制模式：一是傳統(tǒng)的實體按鍵加旋鈕參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)方式，以滿足操作習(xí)慣需求；二是觸摸控制顯示方式，參數(shù)設(shè)置通過虛擬按鍵完成，顯示信息豐富，操作靈活多變。兩套顯示控制模式協(xié)同工作，都有步進(jìn)切換、輸出使能和按鍵鎖定等功能。電壓步進(jìn)值可以為1 V、0.1 V和0.01 V，電流步進(jìn)值可以為100 mA、10 mA和1 mA。另外，為了滿足部分場合的常規(guī)電壓應(yīng)用需求，借助于穩(wěn)壓開關(guān)電源模塊和直流電源轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn) 3.3 V/3 A、5 V/3 A以及±12 V/1 A 4路固定電壓輸出。

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 微處理器單元

圖2 微處理器控制電路

微處理器單元是系統(tǒng)的控制核心，主要完成機(jī)械式按鍵、旋鈕和觸控顯示單元的輸入采集和輸出顯示控制，具體控制電路如圖2所示[3]。本設(shè)計中選用ST公司基于ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6芯片，其最高工作頻率為 72 MHz，最大速度可達(dá) 90 MIPS，芯片內(nèi)部集成兩個12位A/D轉(zhuǎn)換器和兩個12位D/A轉(zhuǎn)換器，使得外圍電路設(shè)計得以簡化，并且可以滿足最小輸出電壓/電流分辨率要求。

2.2 輸出電壓/電流采集電路

輸出電壓/電流采集電路如圖3所示。輸出電壓采集由運(yùn)算放大器構(gòu)成的差分衰減電路完成，運(yùn)放選用OP07，其輸入失調(diào)電壓極低，可以保證電源輸出精度。兩差分輸入端實時采樣輸出電壓并按比例衰減，一路低通濾波后接至微處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器，另一路接至電壓誤差放大電路。為保證衰減系數(shù)的準(zhǔn)確性，R28、R17、R31和 R15均為高精度、低溫漂電阻,電源輸出電壓在0~30 V內(nèi)調(diào)節(jié)時，電壓采樣值在0~2.44 V內(nèi)同步線性變化。

圖3 輸出電壓/電流采集電路

輸出電流采集是由運(yùn)放構(gòu)成的同相放大電路完成的。R47為5 W大功率、低溫漂精密電阻，阻值為 0.05 Ω，由其實現(xiàn)0~4 A電流值到0~0.2 V電壓值的線性轉(zhuǎn)換，取樣電阻兩端電壓信號經(jīng)放大，一路低通濾波后接至微處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器,另一路接至電流誤差放大電路。

2.3 電壓/電流誤差放大電路設(shè)計

當(dāng)該電源工作于恒壓模式時，電流反饋回路只起限流作用，當(dāng)實際輸出電流值小于設(shè)定限流值時電流誤差放大器工作在正飽和區(qū)，電壓誤差放大器工作在線性區(qū)。當(dāng)負(fù)載變動使得輸出電壓瞬間略有上升時，電壓誤差放大電路的輸出使得MOSFET管柵源極間電壓減小，其導(dǎo)通程度隨之減小，從而降低輸出電壓，直到實際輸出電壓等于設(shè)定電壓；當(dāng)負(fù)載變化使得輸出電壓瞬間略有下降時，電壓誤差放大電路的輸出將增大MOSFET管的導(dǎo)通程度，使輸出電壓增大并最終等于設(shè)定電壓。

該電源工作于恒流模式時，電流誤差放大電路的調(diào)節(jié)原理同上。

2.4 調(diào)整管溫度采集電路

系統(tǒng)設(shè)計中，調(diào)整管溫度采集電路主要有兩個作用：(1)為系統(tǒng)過熱保護(hù)提供實時溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度小于35℃時關(guān)閉散熱風(fēng)扇，溫度大于55℃且小于80℃時打開風(fēng)扇，溫度超過80℃時關(guān)閉電源輸出;(2)為電壓輸出值的誤差補(bǔ)償提供參數(shù)：調(diào)整管溫度或負(fù)載電流大范圍變化時電源輸出電壓精度會受到影響，系統(tǒng)采用二維線性差值算法進(jìn)行補(bǔ)償以實現(xiàn)高精度輸出，調(diào)整管溫度是算法的重要參數(shù)之一。

本系統(tǒng)選用LM35芯片實現(xiàn)調(diào)整管溫度的實時采集，該芯片具有使用方便、線性度高、測量溫度范圍廣、自發(fā)熱小等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時該芯片在使用時免調(diào)試、免標(biāo)定、接線簡單、輸出阻抗低。

2.5 輔助電源電路

為了滿足部分場合的常規(guī)電壓應(yīng)用需求，借助于穩(wěn)壓開關(guān)電源模塊對220 V交流電進(jìn)行AC-DC變換得到±15 V直流輸出，再經(jīng)過直流電源轉(zhuǎn)換電路,實現(xiàn)3.3 V/3 A、5 V/3 A以及±12 V/1 A 4路固定電壓輸出。3.3 V和5 V直流電源的實現(xiàn)選用的是美國國家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)的 LM2596，該開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路,最大能夠輸出3 A驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。LM2596有多種固定輸出版本，本設(shè)計的3.3 V電源和5 V電源分別選用LM2596-3.3和LM2596-5.0,其外圍電路配置簡單，如圖4所示?！?2 V電源則選用常規(guī)的7812和7912三端穩(wěn)壓器電路設(shè)計。

圖4 3.3 V輔助電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用C語言模塊化編程方式[4]，利用Keil MDK-ARM完成編譯，軟件設(shè)計流程如圖5所示。軟件系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成：

(1)主函數(shù)模塊：主函數(shù)先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，開機(jī)讀取D/A校準(zhǔn)值并顯示初始設(shè)置的電壓和電流；然后開始掃描是否有按鍵按下，若有按鍵按下，就通過D/A設(shè)定輸出電壓大小并讀取調(diào)整管溫度采樣值，判讀是否開風(fēng)扇或進(jìn)行過熱保護(hù)。

(2)按鍵定時掃瞄函數(shù)模塊：系統(tǒng)每5 ms檢測一次控制面板，若有新的電壓/電流設(shè)定值輸入，則立即更新相應(yīng)標(biāo)志位。

(3)數(shù)碼管顯示更新函數(shù)模塊：每當(dāng)實時電壓或電流信號發(fā)生改變時,微控制器會主動更新數(shù)碼管的顯示結(jié)果。

(4)串口通信函數(shù)模塊：微控制器通過串行口與觸摸液晶屏進(jìn)行通信。從液晶屏接收觸控信息時采用中斷方式，提高了CPU實時性和工作效率；向液晶屏發(fā)送電壓/電流和步進(jìn)值顯示信息時采用輪詢等待方式，以保證每幀數(shù)據(jù)的完整性。

(5)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換函數(shù)模塊：為了數(shù)據(jù)處理方便，程序算法中采用 0.00～30.00和 0.000～4.000范圍內(nèi)的浮點(diǎn)數(shù)分別表示設(shè)定電壓/電流值，本函數(shù)模塊將這種表示范圍線性地轉(zhuǎn)換到12位D/A所需的0～4 095范圍。

(6)電壓/電流步進(jìn)調(diào)節(jié)函數(shù)模塊：電壓步進(jìn)值可以為 1 V、0.1 V和 0.01 V，電流步進(jìn)值可以為 100 mA、10 mA和1 mA，本函數(shù)模塊實現(xiàn)不同步進(jìn)值基礎(chǔ)上的加減調(diào)節(jié)。

4 誤差分析與補(bǔ)償

電源正常工作時，大電流、重負(fù)載情況下調(diào)整管的最高溫度為60℃左右，而小電流、輕負(fù)載時約在常溫上下浮動。如何保證調(diào)整管溫度或負(fù)載電流在大范圍內(nèi)變化時輸出電壓的精度是該電源設(shè)計的難點(diǎn)之一。輸出電壓精度主要由以下幾個方面決定：電壓取樣電路中運(yùn)放外圍電阻的精度和溫漂；運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓及溫漂；D/A轉(zhuǎn)換器的性能和電壓基準(zhǔn)源的溫漂。本設(shè)計首先從硬件上選用高精度、低溫漂及性能良好的關(guān)鍵器件，同時針對所選硬件再進(jìn)行D/A輸出值的軟件二維線性插值補(bǔ)償，以確保調(diào)整管溫度或負(fù)載電流大范圍變化時輸出電壓的精確。

基于上述分析，若要保證全負(fù)載電流范圍和全工作溫度范圍內(nèi)輸出電壓的精確性，送至電壓誤差放大電路的D/A值需要根據(jù)負(fù)載電流I和環(huán)境溫度T進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)所采用的二維線性插值算法[5]原理如圖6所示。

圖6 二維線性插值法原理圖

(1)在全負(fù)載電流范圍內(nèi)取 N個電流校驗點(diǎn) I1、I2、…、IN，在全工作溫度范圍內(nèi)取 M個溫度校驗點(diǎn) T1、T2、…、TM，設(shè)定D/A輸出電壓值對應(yīng)的電源標(biāo)稱輸出電壓值Uset，交叉測試校驗得到N×M個電源實際輸出電壓值U1、U2、…、UN×M。

(2)D/A轉(zhuǎn)換器校驗后，在調(diào)整過程中要求根據(jù)設(shè)定的電源標(biāo)稱輸出電壓值Uset和調(diào)整管溫度值T確定負(fù)載電流。將實際調(diào)整管溫度值T與各溫度校驗點(diǎn)進(jìn)行比較，確定 T在 Tj和 Tj+1之間。

其中，Ui,j和Ui,j+1是兩個電壓校驗值(對應(yīng)電流校驗點(diǎn)Ij和 溫 度 校 驗 點(diǎn) Ti、Ti+1)。

5 實驗結(jié)果

依據(jù)上述方案設(shè)計制作了數(shù)控電源，實際工作狀態(tài)如圖7所示。

對所設(shè)計電源的主要參數(shù)之一負(fù)載調(diào)整率進(jìn)行了測試。實驗設(shè)置如下：電源輸出端所加的負(fù)載為12 V直流供電的150 W微型車載逆變器(其交流輸出電壓有效值為 220 V，頻率為 50 Hz)，該逆變器連接一個 50 W 可調(diào)光白熾燈光源，以實現(xiàn)負(fù)載可調(diào)。設(shè)置數(shù)控電源輸出電壓為12.00 V，最大輸出電流為4.000 A，調(diào)節(jié)白熾燈亮度調(diào)節(jié)旋鈕，利用6位半安捷倫萬用表Agilent 34401A測量不同負(fù)載情況下的輸出電壓。

圖7 所設(shè)計數(shù)控電源的實際工作狀態(tài)圖

測試數(shù)據(jù)如表1所示，計算可得12 V輸出時該電源的負(fù)載調(diào)整率為0.15%。

表1 負(fù)載調(diào)整率測試數(shù)據(jù)

本文設(shè)計并制作了一款高精度數(shù)控電源，該電源輸出電壓 0～30 V可調(diào)，輸出電流最大可達(dá) 4 A，電壓最小步進(jìn)值為0.01 V，電流最小步進(jìn)值為1 mA，負(fù)載調(diào)整率小于0.2%。電源配備了兩套顯示控制方案，既可以通過實體按鍵和旋鈕控制，也可以通過觸摸液晶屏對輸出電壓/電流值進(jìn)行觸控控制，觸摸液晶屏操作方案的一大特色是增加了直接鍵盤設(shè)定功能，操作更簡便。同時，該電源還配備了4路常用固定電壓輸出，且保護(hù)功能較為完善，可滿足一般實驗和教學(xué)活動的要求。另外，通過系統(tǒng)軟件編程，該電源可實現(xiàn)輸出電壓波形自定義等擴(kuò)展功能。

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