數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計

隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)應用技術，由于功率器件性能的限制使開關電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術，可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài)，為了提高開關電源工作效率，設計出性能優(yōu)良的開關電源，十分必要。

1 幾種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計方案比較

1．1 幾種設計方案電路原理

方案1：采用模擬的分立元件，利用純硬件來實現(xiàn)功能，通過電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)穩(wěn)壓電源穩(wěn)定輸出±5 V、±12 V、±15 V并能可調(diào)輸出0～30 V電壓，見圖1所示。但由于模擬分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，因此所設計的指標不高、不符合設計要求、且使用的器件較多、連接復雜、靈活性差、功耗也大，同時焊點和線路較多，使成品的穩(wěn)定性和精度受到影響。

方案2：此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點在于使用一套雙計數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，其中二進制計數(shù)器的輸出經(jīng)過D／A變換后去控制誤差放大的基準電壓，以控制輸出步進。十進制計數(shù)器通過譯碼后驅動數(shù)碼管顯示輸出電壓值，為了使系統(tǒng)工作正常，必須保證雙計數(shù)器同步工作。

方案3：此方案不同于方案1之處在于使用一套十進制計數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EPROM的地址輸入，而由EPROM的輸出經(jīng)D／A變換后控制誤差放大同步的問題，但由于控制數(shù)據(jù)燒錄在EPROM中，使系統(tǒng)設計靈活性降低。

方案4：此方案采用51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使開關控制電源輸出電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，經(jīng)過ADC0809進行模數(shù)轉換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理。利用單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D／A轉換器(DA0830)輸出模擬量，再經(jīng)開關電源控制電路，使得輸出電壓達到穩(wěn)壓的目的。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進行實時監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流／電壓轉變后，通過A／D轉換芯片，實時把模擬量轉化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機分析處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構成穩(wěn)定的壓控電壓源。而且采用PWM控制的開關電源，該電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源等優(yōu)點。而且在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當，而電源效率顯著提高，體積和重量則大為減小。

2 方案的比較與論證

(1)輸出模塊

方案1采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準電壓的方式使輸出不僅增加／減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出地影響，此輸出只能是用萬用表量出。而方案2、方案3中使用運算放大器做前級的運算放大器，由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以減少輸出端的紋波電壓。在方案1中，為抑制紋波而在線性調(diào)壓電源輸出端并聯(lián)的大電容降低了系統(tǒng)的響應速度，這樣輸出的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案4中的輸出電壓波形與D／A變換輸出波形相同，不僅可以輸出直流電平，而且只要預先生成波形的量化數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生多種波形輸出，使系統(tǒng)有一定驅動能力的信號源。

(2)數(shù)控模塊

方案1利用純硬件來控制電壓的輸出，其中最基本的電路原理分析，需要計算負載的大小，穩(wěn)壓管的選擇有關，方案2、方案3中采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關聯(lián)多，抗干擾能力差，如方案1中的雙計數(shù)器一旦出現(xiàn)計數(shù)不同步時，會導致顯示電壓與輸出電壓不一致。在方案4中采用AT89C51單片機完成整個數(shù)控部分的功能，同時，AT89C51作為一個智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴展。

(3)控制模塊

在該系統(tǒng)中，采用具有D／A轉換功能的PWM調(diào)節(jié)電路、斬波電路、闊流器和可調(diào)穩(wěn)壓管(LM317)去控制輸出參考電壓，在利用A／D轉換采樣，使輸出更準確，且紋波小，電流亦可擴展，容易保護電路。

(4)顯示模塊

方案2、方案3中的顯示輸出地對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出，顯示值為D／A變換的輸入量，由于D／A變換與功率驅動電路引入的誤差，顯示值與電源實際輸出值之間可能出現(xiàn)較大偏差。方案4中采用A／D轉換電路，通過對輸出電壓的采樣，經(jīng)過單片機的分析處理，通過數(shù)據(jù)的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，這樣使得顯示值與實際輸出之間的偏差減為最小。方案4采用4位數(shù)字電壓表直接對輸出電壓采樣并顯示輸出實際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預制值與輸出值偏差過大，用戶可以根據(jù)該信息予以處理，還采用了鍵盤／顯示器的查詢時間，提高了CPU的利用率。

3 結束語

如前所述，雖然方案3比前兩者有許多優(yōu)點，但方案1、方案2對于完成設計要求并非不可行，而且在某些方面還具有優(yōu)勢，之所以采用方案4，一個很重要的考慮是系統(tǒng)使用了單片機，使得進一步的功能擴展較為方便。