利用固態(tài)繼電器陣列實(shí)現(xiàn)高精度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

張凱華，任勇峰

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

利用固態(tài)繼電器陣列實(shí)現(xiàn)高精度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

張凱華，任勇峰

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

在利用三端集成式穩(wěn)壓器LMH317構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上，添加由固態(tài)繼電器陣列控制導(dǎo)通的高精度電阻，通過計(jì)算進(jìn)行合理取值。由主控制器FPGA執(zhí)行上位機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器輸出端電壓大小調(diào)整。繼電器AQY210具有電氣開關(guān)特性，且內(nèi)阻較小，對輸出電壓精度影響較小，通過對輸出電壓的正確標(biāo)定，使其具有輸出范圍寬，精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對能源供給裝置的需求。

直流穩(wěn)壓電源，固態(tài)繼電器，高精度，穩(wěn)壓器

0 引言

目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的獲得某一確定輸出電壓的方法是采用線性穩(wěn)壓直流電源，該電源的輸出電壓比輸入電壓低，反應(yīng)速度快，輸出波紋較小，且工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲低。在滿足可調(diào)穩(wěn)壓器輸入電壓要求的前提下，通過調(diào)整穩(wěn)壓器調(diào)整端輸出設(shè)置電阻，在輸出端得到理想的輸出電壓。其應(yīng)用缺點(diǎn)是調(diào)整端電阻在接入電路后阻值無法改變，造成電路的輸出電壓比較單一，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對電源輸出電壓范圍大，精度要求高的特點(diǎn)［1］。

本設(shè)計(jì)在上述原理的基礎(chǔ)上，添加了固態(tài)繼電器AQY210陣列，每個(gè)固態(tài)繼電器都與有確定阻值的電阻串聯(lián)，通過調(diào)整繼電器接入電路的狀態(tài)（打開或閉合）來控制穩(wěn)壓器調(diào)整端的輸出設(shè)置電阻，從而實(shí)現(xiàn)輸出端電壓的可調(diào)。

1 設(shè)計(jì)要求及方案制定

高壓輸出直流模件要求其驅(qū)動(dòng)能力大于20 mA，具有10路電壓輸出能力，10路之間進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，每一路可單獨(dú)輸出7種所需電壓，輸出電壓可調(diào)整為12 V、14 V、26 V、28 V、30 V、34 V和36 V；同時(shí)要求輸出電壓精度優(yōu)于1%。

針對以上設(shè)計(jì)要求，制定方案如下頁圖1所示，單獨(dú)一路輸出采用單相交流電經(jīng)過變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路的方式，10路之間采用并行輸出，可同時(shí)輸出不同電壓。繼電器陣列在控制模塊FPGA控制下，響應(yīng)上位機(jī)軟件下發(fā)的指令，執(zhí)行打開或者閉合操作，確定接入穩(wěn)壓器調(diào)整端的電阻，從而控制輸出端電壓。

圖1 方案設(shè)計(jì)框圖

變壓電路的作用是將220 V，50 Hz的交流電網(wǎng)電壓變?yōu)楹线m的交流電壓，經(jīng)橋式整流電路，把正，負(fù)交變的電壓變成單方向脈動(dòng)的直流電壓。再在整流電路的輸出端(即負(fù)載兩端)并聯(lián)一個(gè)電容構(gòu)成電容濾波電路，利用電容濾波電路中電容的充、放電作用，得到較為平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路部分則采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LMH317來實(shí)現(xiàn)［2］，該穩(wěn)壓器的輸出電壓可調(diào)范圍為1.25 V～37 V，輸出電流1.5 A，內(nèi)部帶有過載保護(hù)電路，具有穩(wěn)壓精度高，工作可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足輸出電壓范圍要求。

2 電路設(shè)計(jì)

整體電路的設(shè)計(jì)需要在滿足穩(wěn)壓器LMH317工作條件的前提下進(jìn)行。穩(wěn)壓器的三端分別為電壓輸入端VIN，電壓輸出端V0UT和調(diào)整端ADJ，調(diào)整端是基準(zhǔn)電壓電路的公共端［3］。在應(yīng)用穩(wěn)壓器時(shí)，一定要保證輸入端與輸出端之間至少有2 V～3 V的壓差，最大壓差不超過40 V，才能保證其內(nèi)部調(diào)整管的調(diào)節(jié)作用。由于所需的最大輸出電壓為36 V，考慮到1 V的電壓冗余，可計(jì)算LMH317輸入端要求的輸入電壓至少為40 V。

2.1 整流濾波電路

設(shè)計(jì)選用的變壓器為定制變壓器，初級電壓為220 V，次級電壓為40 V，即U2=40 V；

由于負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流I≥20 mA，計(jì)算最大負(fù)載電阻：

整流電路部分采用橋式整流電路，輸出電壓平均值：

輸出電流的平均值：

考慮到電網(wǎng)電壓存在±10%的波動(dòng)電壓，變壓器輸入電壓通常在200 V與240 V之間，故整流橋二極管承受的最大平均電流和最大反向電壓均應(yīng)有10%的余量，即乘以1.1倍。

二極管承受的最大平均電流：

二極管承受的最大反向電壓：

設(shè)計(jì)所選的整流橋規(guī)格為0.5 A/200 V，完全能夠滿足上述要求。

電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路［4］，在整流電路的輸出端（即負(fù)載電阻兩端）并聯(lián)一個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)電容濾波電路。濾波電容容值一般比較大，因此，一般均采用電解電容，在接線時(shí)要注意電解電容的正、負(fù)極。電容濾波電路利用的是電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平緩。

利用Multisim 10設(shè)計(jì)上述仿真電路如下頁圖2所示。

獲得輸入電壓整流前和濾波后的波形如下頁圖3所示。

從輸入電壓波形可以看出，經(jīng)整流橋整流和電容濾波后，電壓波形趨于穩(wěn)定，幅值在54.559 V左右，滿足穩(wěn)壓器的輸入要求。

2.2 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路按照可調(diào)穩(wěn)壓器LMH317標(biāo)準(zhǔn)外圍電路連接，二極管對電路起到保護(hù)作用。電阻R1為設(shè)置電阻，參考阻值為240 Ω。其兩端電壓，即輸出端與可調(diào)整端間的電壓始終等于基準(zhǔn)電壓VREF（=1.25V）。電阻R2為輸出電壓調(diào)節(jié)電阻，決定穩(wěn)壓器輸出電壓的大小，且最小輸出電壓為1.25 V。

當(dāng)穩(wěn)壓器輸入電壓滿足要求時(shí)，計(jì)算輸出端電壓表達(dá)式為：

圖2 Multisim 10仿真電路

圖3 輸入電壓波形

圖4 36 V輸出電壓波形

調(diào)整端電流IADJ很小，約等于50 uA，且非常穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)該直流穩(wěn)壓電源具有可調(diào)輸出電壓的功能，將LMH317調(diào)整端與由固態(tài)繼電器陣列控制導(dǎo)通的高精度電阻相連。應(yīng)用的繼電器型號為AQY210［5］，是一種用較小電流控制較大電流運(yùn)作的“自動(dòng)開關(guān)”。該繼電器采用的是電氣連接，避免了機(jī)械開關(guān)在操作時(shí)對電路造成的磁場干擾，提高電路的穩(wěn)定性。開關(guān)閉合所需要的導(dǎo)通電流為0.9 mA～3 mA，常溫下內(nèi)阻在16 Ω與18 Ω之間，帶來的理論輸出電壓誤差小于0.03%。工作時(shí)，由上位機(jī)軟件下發(fā)指令至控制芯片F(xiàn)PGA，控制繼電器開關(guān)引腳2為邏輯電平“0”，產(chǎn)生2.75 mA的導(dǎo)通電流，開關(guān)由打開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)，與繼電器串聯(lián)的一路電阻便接入電路。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 電路原理圖

電路中的二極管對電路起到保護(hù)作用，設(shè)計(jì)電路時(shí)根據(jù)設(shè)備需要的輸出電壓計(jì)算出各電阻阻值，由于電阻的精密程度直接影響輸出電壓的精度，因此，采用精度為1%的高精度電阻。從原理圖中可以看出，最右側(cè)一路電阻始終接入電路，用來產(chǎn)生最大輸出電壓36 V。當(dāng)VOUT=36 V時(shí)，要求固態(tài)繼電器開關(guān)全部處于斷開狀態(tài)，利用式（1）計(jì)算接入電路的電阻阻值R2=6 672 Ω，根據(jù)市場上可購買的電阻阻值，該路電阻須由阻值分別為6.2 KΩ和470 Ω的電阻串聯(lián)獲得。

當(dāng)有一個(gè)固態(tài)繼電器開關(guān)閉合時(shí)，兩路電阻會同時(shí)接入電路，形成并聯(lián)，使輸出電壓減小。由于與每個(gè)繼電器開關(guān)串聯(lián)的電阻阻值不同，閉合不同的開關(guān)會使穩(wěn)壓器調(diào)整端輸出設(shè)置電阻阻值發(fā)生變化，根據(jù)穩(wěn)壓器功能，其輸出電壓也會發(fā)生變化。

若想獲得34V的電壓，計(jì)算繼電器開關(guān)串聯(lián)電阻阻值為109.8KΩ，該阻值可由107KΩ和2.26KΩ的電阻串聯(lián)獲得。同理，獲得各輸出電壓所需要的串聯(lián)電阻如表1所示。

利用Multisim 10仿真電路對基準(zhǔn)電壓Vref和36 V輸出電壓Vout進(jìn)行測量，波形圖如圖4所示，可以看出穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓維持1.25 V穩(wěn)定，輸出電壓在上電300 ms后趨于穩(wěn)定，幅值為36.32 V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖合理布局PCB板并進(jìn)行制作，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，對實(shí)際輸出電壓進(jìn)行測量，理想輸出電壓與計(jì)算輸出電壓之間存在差別，與實(shí)測輸出電壓進(jìn)行比較并計(jì)算誤差，如表2所示。

表2 輸出電壓及誤差計(jì)算

由于理想輸出電壓與計(jì)算得到的輸出電壓存在差異，對兩者進(jìn)行標(biāo)定，如圖6所示：經(jīng)多次測量，獲得直線方程y=kx+b，其中k=1.001 48，b=-0.05715，該方程用于校準(zhǔn)理想輸出電壓與計(jì)算輸出電壓之間的偏差［6］。實(shí)驗(yàn)得到的輸出電壓誤差不大于0.1 V，電壓誤差率小于1%，滿足電源的高精度設(shè)計(jì)要求。

圖6 標(biāo)定直線

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要是針對如何簡單有效地獲取一系列高精度輸出電壓，涉及一種利用固態(tài)繼電器陣列改變可調(diào)穩(wěn)壓器調(diào)整端輸出設(shè)置電阻，進(jìn)而獲得不同輸出電壓的方法。設(shè)計(jì)的優(yōu)越性在于電路采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317，避免了開關(guān)電源帶來的脈沖干擾，滿足紋波系數(shù)要求。電阻采用低溫度系數(shù)，1%精度電阻，能夠在溫度變化范圍比較大的環(huán)境下穩(wěn)定工作，保證輸出電壓的精度。穩(wěn)壓器調(diào)整端采用固態(tài)繼電器開關(guān)陣列來控制電阻的導(dǎo)通，繼電器導(dǎo)通電流較小，功耗較低，而且內(nèi)阻阻值穩(wěn)定，對電路輸出影響較小，控制簡單方便。而且上位機(jī)軟件通過控制模塊FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)對多路輸出電壓的控制，各路輸出電壓之間相互獨(dú)立，互不干擾，可分別輸出不同的電壓。

［1］甄國涌，寧合偉，賈成偉.某測試臺用高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)［J］.火力與指揮控制，2011，36（11）：118-119，124.

［2］馮平，張治中.基于可調(diào)式穩(wěn)壓器LM317的直流穩(wěn)壓電源［J］.電子測試，2009（5）：70-73.

［3］沙占友，王彥朋，尚燕.新型集成穩(wěn)壓器件應(yīng)用指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［4］趙學(xué)泉，張國華.電源電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1995.

［5］蘇虎平，沈三民，劉文怡，等.基于USB和FPGA的多功能等效器設(shè)計(jì)［J］．電視技術(shù)，2012，36（23）：50-53．

［6］宋政輝，趙立芬，張鑫.直流穩(wěn)壓電源自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（4）：875-877.

Design of High Precision Adjustable DC Regulated Power Supply Used Solid State Relay

ZHANG Kai-hua，REN Yong-feng
（National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

This design is based on the DC power supply which used the three-terminal adjustable regulator LMH317，added the precision resistors controled by an array of solid state relays and selected the value of resistance by calculating.With the FPGA execute instructions，the adjustable of the output voltage is realized.AQY210 is a switch with electrical characteristics，and the interface resistance is small.It has a little infulence on the precision of output voltage.With the correct demarcate of output voltage，the output scope would be wide and the precision would be high，it can also satisfy the demand of energy supplies to the modern industry development.

DC regulated power supply，solid state relay，high precision，voltage regulator

TN86

A

1002-0640（2015）05-0171-04

2014-03-12

2014-04-28

張凱華（1991- ），男，山西臨汾人，在讀碩士研究生。研究方向：電子測試儀器與系統(tǒng)。