一種可輸出預置序列的新型程控電源設計

谷 峰，蒲利春，冉秦翠

(重慶理工大學光電信息學院，重慶 400054)

自20世紀以來，全世界科技取得了長足的發(fā)展，人類邁向全新的時代。隨著電的出現(xiàn)，人們對電的應用也越來越多樣化，電源成為必不可少的器件［1－2］。電源技術是一門實用性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。如今的電源融合了電子、控制、系統(tǒng)集成、材料等多個學科領域的內(nèi)容，而計算機的出現(xiàn)和通信技術的發(fā)展也對電源提出了更高的要求［3－6］，這就導致普通的電源無法滿足一些對智能化程度、精度和準確度要求較高的器件。

目前，市場上已出現(xiàn)多種類型的程控電源。通過對國內(nèi)外幾款典型程控電源的參數(shù)對比，可以發(fā)現(xiàn)供電輸出的功能指標相差較小，這些電源均提供恒流恒壓、可程控調(diào)節(jié)、可預置輸出固定電流電壓等功能。性能的指標在紋波和噪聲抑制上存在一些差異，但在可預置輸出這項功能上差異較大?？傮w來說，存在以下2點不足:①所有程控電源均不具備輸出預置序列電壓電流功能;② 使用性價比高的程控電源搭建自動測試系統(tǒng)和調(diào)試系統(tǒng)不方便。因此，解決目前的程控電源不具備輸出預置序列電壓電流功能的問題，優(yōu)化程控電源的輸出功能設計，提高企業(yè)自動測試工作效率是十分必要和迫切的。

針對以上問題，筆者所在團隊設計并制作了一種新型的預置序列輸出程控電源(以下簡稱“預控電源”)。通過“預控電源”的精準穩(wěn)定供電功能搭配智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能控制和手動控制輸出電壓電流的目標，進而有效地解決目前的程控電源不具備輸出預置序列電壓電流功能的輸出問題，可為汽車、電子儀器等廠商提供性價比高且易搭建自動測試系統(tǒng)的程控電源，有得盱提高生產(chǎn)效率，進而實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，滿足企業(yè)老化測試、生產(chǎn)線測試等多種測試方案的選擇以及高校、科研院所實驗測試計量的需要。

1 電源總體設計

傳統(tǒng)的電源只能符合部分電路的要求，在調(diào)節(jié)范圍和智能穩(wěn)定輸出方面有所欠缺。程控電源則提供了更好的適應性和靈活性，能滿足更多的復雜要求，符合當代科技對電源的要求。

1.1 “預控電源”與輸出功率參數(shù)

“預控電源”系統(tǒng)能實現(xiàn)輸出恒流恒壓，可輸出預置時間序列的電壓電流，具有短路以及過流過壓保護功能，且輸出電壓電流可調(diào)節(jié)。在性能方面，可實現(xiàn)小于5 mV的較低波紋和小于100 μs的較快調(diào)整率，輸出電壓在0～30 V可調(diào)節(jié)，輸出電流在0～4 A 可調(diào)節(jié)［7－8］?！邦A控電源”總體設計見圖1。

圖1 “預控電源”總體設計

1.2 “預控電源”的控制芯片

電源采用功能強大的STM32F103VCT6，它是一款增強型高性能32位RISC內(nèi)核，其中包括2個12位的 ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，轉換時間為1μs，具有21個輸入通道，以及標準和先進的通信接口(2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN)。工作溫度為－40 ℃ ～ +105 ℃，供電電壓為2.0～3.6 V，其采用的省電模式滿足了低功耗應用的要求。100個引腳可以保證電源的高精度，使電路更加簡潔。主控制芯片的引腳電路連接圖見圖2。

1.3 “預控電源”人機程控界面

人機程控界面采用醒目的LED數(shù)碼管顯示，對溫度的變化要求較低，其顯示視角大、壽命長的優(yōu)點非常適合人機界面。界面有2個數(shù)碼管，左邊顯示當前電壓值，右邊顯示當前電流值。本設計的特點是可通過串口來連接電腦上的智能界面，進而預設輸出值和相應的輸出時間，實現(xiàn)無人情況下的自動輸出;也可通過最右邊的螺旋開關進行控制，2個數(shù)碼管下方的發(fā)光二極管為指示燈，左邊的發(fā)光代表當前為電壓可調(diào)節(jié)輸出，右邊則為電流可調(diào)節(jié)輸出，控制簡單方便。電腦智能控制界面如圖3所示。其中電壓和時間的數(shù)值可調(diào)節(jié)(時間范圍可根據(jù)要求設定)。

圖2 主控制芯片的引腳電路連接圖

圖3 電腦智能程控界面

1.4 “預控電源”的預置序列輸出設計

當系統(tǒng)開始工作時，人機界面(圖3)初始化、串口初始化。用戶在界面板上輸入需執(zhí)行的電壓或電流離散值以及對應的時間參數(shù)，確認執(zhí)行，通過串口向電源發(fā)送按照上述時間間隔執(zhí)行輸入電壓或電流離散值的命令，之后電源通過供電部分實現(xiàn)智能化輸出。具體流程見圖4。

圖4 輸出預置序列電壓電流的流程

2 電源工作原理

2.1 供電原理

變壓電路包括第一變壓電路和第二變壓電路。第一變壓電路包括數(shù)個第一繞組，第一繞組由數(shù)個轉換型繼電器相連，通過電壓切換電路對各個轉換型繼電器通電，能實現(xiàn)不同等級的電壓轉換;第二變壓電路包括2個14 V電壓繞組和1個8 V電壓繞組，2個14 V電壓繞組將輸入電壓轉換成14 V為運放電源和主控電路供電，8 V電壓繞組則將輸入電壓轉換成8 V為串口電路供電。在具體實施時，第一變壓電路包括4個第一繞組，主控電路通過控制轉換型繼電器能實現(xiàn)輸出電壓分別為 2，4，8，16 V 或者 2，4，8，16 V 的各種組合。第一變壓電路的輸出電流經(jīng)整流濾波放大電路和輸出保護電路后進行輸出。

具體實施過程中，利用2，4，8，16 V繞組進行變壓，通過4個繼電器使電壓在0～30 V內(nèi)切換。變壓后的電壓經(jīng)過整流堆整流和電容的濾波后輸出到功率MOS管進行放大(即整流濾波放大)，同時利用限流電阻對電路進行限流，然后輸出到具有采樣電阻的采樣電路。采樣電路對電壓進行采樣，同時把數(shù)據(jù)送到CPU。CPU進行數(shù)據(jù)比對確定是否開啟調(diào)整電路，當變壓后的電壓與設定電壓相匹配時，CPU控制電壓經(jīng)過輸出保護電路后實現(xiàn)電壓的最終輸出。

主控電路包括CPU及其外圍電路。CPU通過外圍電路與電壓切換電路、輸出保護電路以及控制信號輸入電路相連，接收控制信號并對輸出電壓進行控制。CPU能對輸入的參數(shù)序列進行存儲，并根據(jù)該參數(shù)序列進行相應輸出。

控制信號輸入電路包括模擬信號輸入電路(按鈕或旋鈕輸入，即硬件輸入)和數(shù)字信號輸入電路(即電腦顯示窗口輸入)。模擬信號輸入電路包括1個旋鈕開關和A/D轉換電路，旋鈕開關量(0～30V)經(jīng)A/D轉換電路后與CPU相連。數(shù)字信號輸入電路通過串口電路與上位機相連，從而通過上位機進行信號輸入并對上位機進行數(shù)據(jù)反饋［9－10］。

電路還包括數(shù)個顯示管，顯示管的控制板端子與CPU連接。當CPU確認輸出值時，會通過控制板控制數(shù)碼管的顯示。

2.2 控制原理

上位機通過串口對電源進行智能控制(數(shù)字信號輸入控制輸出)［11－12］:通過 CPU 先為電源設置一個可編寫的時間計時器，在規(guī)定時間內(nèi)設置固定的時間點輸出所需的電壓值，具體實施時可通過上位機設定時間和電壓值，確定后通過串口電路輸入到主控電路。其中，將控制信號首先輸入到串口電路，經(jīng)串口電路后輸送到主控電路的CPU，CPU得到指令后，通過信號輸出接口將信號送到電壓切換電路中。變壓電路通過控制繼電器輸出相應數(shù)值的電壓，整流濾波放大電路對變壓后的電壓整流、濾波、放大和限流后，最終實現(xiàn)輸出。同時，CPU通過串口電路反饋數(shù)據(jù)值給上位機，通過波形圖在人機界面直觀顯示。

螺旋撥碼器控制電源輸出(模擬信號輸入控制輸出)。電源接電時，開啟螺旋撥碼器開關，信號經(jīng)過輸入端口輸入到移位寄存器，同時通過該輸入端口將信號傳送到CPU。CPU得到指令后，通過信號輸出接口把信號傳送到電壓切換電路。變壓電路通過控制繼電器輸出相應的數(shù)值，整流濾波放大電路對變壓后的電壓進行整流、濾波、放大和限流后實現(xiàn)輸出，同時經(jīng)過三極管放大輸入到數(shù)碼管顯示當前數(shù)值。

3 樣機的性能測試及其誤差分析

通過以上設計，筆者所在團隊制作了實物樣機。樣機在設計功能方面，實現(xiàn)了恒流恒壓的輸出，可輸出預置時間序列的電壓電流，具有短路以及過流過壓保護功能，且輸出電壓電流可調(diào)節(jié);在性能方面，實現(xiàn)了小于5 mV的較低波紋和小于100 μs的較快調(diào)整率，達到了輸出電壓在0～30 V范圍可調(diào)節(jié)，輸出電流在0～4 A范圍可調(diào)節(jié)等預期效果。樣機實物見圖5。為驗證樣機的準確可行性，針對樣機的智能控制輸出和手動控制輸出分別做4組實驗，實驗數(shù)據(jù)見表1。在實驗中，利用預控電源樣機輸出預設數(shù)據(jù)，待電壓輸出后，用標準萬用表對輸出電壓值進行檢測，得出相關數(shù)據(jù)。將利用萬用表測得的數(shù)據(jù)與預控電源樣機的預置數(shù)據(jù)進行比較，得出輸出誤差。通過數(shù)據(jù)可以看出，智能控制電壓輸出的誤差相比手動控制的誤差小。

圖5 樣機實物

造成樣機輸出誤差的主要原因包括:①手動控制輸出是通過樣機的螺旋撥碼器來實現(xiàn)的，調(diào)節(jié)過程中撥碼器的準確度以及人為因素都會直接影響輸出結果的準確性，而智能控制輸出通過智能系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)直接對輸出進行控制，準確性相比手動控制輸出高很多;②在樣機工作前對其進行校準，在此過程中軟件得到了相應的校準而硬件則沒有校準，故校準過程中存在誤差;③整流電路工作過程中產(chǎn)生的誤差［13］主要是由于整理二極管的導通角引起的。通過對樣機誤差的分析發(fā)現(xiàn)，樣機電源的誤差小于程控電源，解決了現(xiàn)今電源的無可預置序列輸出的問題，實現(xiàn)了在智能和手動兩方面的人性化穩(wěn)定輸出恒流恒壓、預置時間序列的電壓電流功能。

表1 手動和智能控制的誤差

4 結束語

本文通過程控電源的精準穩(wěn)定輸出搭配智能控制系統(tǒng)，并結合短路及過流過壓過熱保護功能模塊設計、整流電路以及自動校準模塊，制作出可輸出預置序列的新型程控電源。解決了現(xiàn)今電源無可預置序列輸出的問題，實現(xiàn)了可在智能和手動兩方面控制的穩(wěn)定輸出恒流恒壓、預置時間序列的電壓電流，其具有輸出穩(wěn)定、操作方便、界面簡潔、自動校準、適應性強、誤差小、成本低等優(yōu)點，可更好地為工業(yè)電子、電子儀器、工業(yè)測試設備等供電，適用于設計研發(fā)、生產(chǎn)制造等自動測試領域，是一種可在自動測試領域提供激勵和測試的輸出可控的穩(wěn)壓電源。

［1］何希才.新型開關電源設計與應用［M］.北京:科技出版社，2001.

［2］李宏.淺談面向21世紀的電力電子技術［J］.電力電子技術，2001(4):57－60.

［3］蔡宜三.開關電源發(fā)展軌跡［J］.電子產(chǎn)品世界，2000(4):42－43.

［4］李雨萌，汪建華，王淼.基于單片機的程控電源硬件設計［J］.軟件導刊，2014，13(9):114－115.

［5］饒騫.自動量程程控電源［J］.今日電子，2014(4):35－36.

［6］陳成義.基于AT89S51單片機的程控電源開關設計［J］.電子制作，2014(8):2－3.

［7］張占松，蔡宜三.開關電源的原理與設計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999.

［8］馬杰.DC/DC數(shù)控電源中降低輸出波紋的研究［D］.杭州:浙江大學，2003.

［9］康華光.電子技術基礎數(shù)字部分［M］.北京:高等教育出版社，1998.

［10］楊振江.A/D、D/A轉換器接口技術與實用電路［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1996.

［11］張毅剛.單片機原理及應用［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［12］譚浩強.C程序設計［M］.2版.北京:清華大學出版社，1999.

［13］周淮玲.整流電路輸出電壓的誤差分析［J］.淮陰師范學院學報，2004，3(2):121－123.

［14］倪志紅.開關電源功率因數(shù)校正技術的研究［D］.南京:南京理工大學，2003.

［15］秦增煌.電工學［M］.北京:高等教育出版社，2002.