數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)

程習(xí)敏 劉華

摘 要：系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)與開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相結(jié)合，由升壓電路、電壓與電流采樣電路和信號(hào)放大電路構(gòu)成數(shù)字化直流電源。實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓與電流的設(shè)置，同時(shí)通過(guò)AD采樣控制校正電壓，從而有效的提高該電源電壓及電流的輸出精度。

關(guān)鍵詞：數(shù)控顯示；恒壓；恒流

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0040-02

Abstract： The digital DC power supply is composed of boost circuit， voltage and current sampling circuit and signal amplifying circuit， to achieve the output voltage and current settings and correct voltage through AD sampling control， so as to effectively improve the power supply voltage and current output accuracy.

Keywords： numerical control display； constant voltage； constant current

1 概述

直流電源是提供穩(wěn)定直流電壓電流的電源裝置。當(dāng)外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動(dòng)或電網(wǎng)阻抗特性發(fā)生變化時(shí)，該電源仍能使輸出電壓/電流保持恒定的值[1]。采用數(shù)字控制方式可以引入一些智能控制算法，使電源的性能更好，自動(dòng)化程度更高[2]。通過(guò)數(shù)字控制方式可以在線(xiàn)修改控制算法，而不必改硬件線(xiàn)路，使系統(tǒng)升級(jí)方便；也易于組成高可靠性的多模塊開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分流和按比例分流[3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，由于單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)MOS管，故需要通過(guò)UCC3803芯片（UCC3803芯片是低功率BiCMOS電流模式PWM芯片）驅(qū)動(dòng)MOS管，完成直流升壓斬波的原理設(shè)計(jì)，在直流升壓的同時(shí)，通過(guò)電壓電流采樣技術(shù)取得直流電源的電流值與電壓值，使用單片機(jī)STM8進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與顯示。整個(gè)系統(tǒng)硬件分為5個(gè)部分，分別為：直流電源濾波部分、PWM信號(hào)產(chǎn)生部分、斬波升壓部分、電流電壓采集部分和STM8顯控部分；軟件主要為STM8單片機(jī)的控制部分[4-5]。如圖1所示。

首先通過(guò)LC濾波電路對(duì)直流電源進(jìn)行濾波處理，其次，電源信號(hào)通過(guò)斬波升壓得到所需要的升壓后電壓值；其中PWM信號(hào)由單片機(jī)STM8S產(chǎn)生，芯片UCC3803對(duì)PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行反饋比較，驅(qū)動(dòng)MOS管；電壓與電流的顯示是通過(guò)電壓采集與電流采集電路獲取，電壓與電流值本身為較為微弱的模擬信號(hào)，通過(guò)使用TLC2272型號(hào)芯片的運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行放大后再通過(guò)單片機(jī)的ADC模擬接口去采集；顯示部分使用單片機(jī)的IO口去驅(qū)動(dòng)74HC595D芯片，從而完成顯控部分的設(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)首先初始化，然后讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，顯示設(shè)置界面，最后等待鍵盤(pán)輸入。當(dāng)按“SET”鍵后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)位閃爍，輸入數(shù)據(jù)位的電流后，下一個(gè)數(shù)據(jù)位閃爍，以此進(jìn)行類(lèi)推。輸入所需的預(yù)先設(shè)置電流后，按“OK”鍵確認(rèn)設(shè)置電流，并確定輸入的預(yù)先設(shè)置電流是否超過(guò)范圍。如果沒(méi)有超過(guò)范圍的話(huà)，從鍵盤(pán)接收現(xiàn)在的輸入值，計(jì)算PWM波的占空比，從單片機(jī)PA3提取了PWM波。輸出電流的采樣電路，A/D轉(zhuǎn)換后得到實(shí)際測(cè)量電流值c（k），比較預(yù)先設(shè)置電流和實(shí)際測(cè)量電流r（k），得到這次偏差e（k）。當(dāng)|e（k）|<ε（ε為死區(qū)偏差）時(shí)，不調(diào)節(jié)，通過(guò)LED數(shù)字管顯示電流值[6]。見(jiàn)式（1）所示：

4 調(diào)試與測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：常溫、常壓、干燥環(huán)境。

測(cè)試所需儀器：OWEN-EDS072E數(shù)字示波器；萬(wàn)用表；可調(diào)直流電源箱。

測(cè)試方法：（1）正確連接輸入、輸出，保證輸入電壓在要求的范圍內(nèi)，嚴(yán)禁反接。輸入電壓須高于最低輸入電壓。（2）設(shè)定所需的電壓電流值。（3）設(shè)定完成后按下“OK”按鍵就可以輸出了。（4）輸出狀態(tài)下，在顯示電壓值時(shí)按下“+”按鍵可以增大輸出電壓，按下“-”按鍵可以減小輸出電壓，輸出電流值時(shí)同樣如此。短按精確設(shè)定，長(zhǎng)按快速設(shè)定。（5）輸出狀態(tài)下，按下“SET”按鍵可以關(guān)閉輸出。

測(cè)試內(nèi)容：使用可調(diào)直流電源箱，輸入端依次接入不同值的直流電，經(jīng)測(cè)試板內(nèi)部直流濾波電路，直流斬波升壓電路，電流電壓采集電路及數(shù)碼顯示電路后檢驗(yàn)輸出是否與所設(shè)置的設(shè)定值一致。

測(cè)試連接圖如圖3。

紋波情況如圖4。

按照需要輸出的電壓進(jìn)行設(shè)置同時(shí)使用萬(wàn)用表監(jiān)控輸出電壓值是否正確，測(cè)試內(nèi)容如下表1。

常規(guī)電流輸出測(cè)試：按照需要輸出的電流進(jìn)行設(shè)置同時(shí)使用萬(wàn)用表監(jiān)控輸出電流值是否正確，測(cè)試內(nèi)容如下表2。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)STM8S103單片機(jī)與開(kāi)關(guān)電源相結(jié)合構(gòu)成數(shù)字控制高性能電源，從低紋波、高精度、高效率和增大輸出功率等方面改善開(kāi)關(guān)電源的性能。經(jīng)測(cè)試表明：該電源實(shí)現(xiàn)了輸出電壓調(diào)節(jié)范圍+8～+60V，步進(jìn)電壓0.1V，紋波小于0.9mVp-p，為科研和工程應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)質(zhì)電壓源。與傳統(tǒng)的數(shù)控電壓源比較，可以輸出負(fù)電壓，步進(jìn)電壓更小，輸出電壓精度更高，紋波更小，負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率更低，運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，外圍電路更簡(jiǎn)單。

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