基于单片机的高性能直流稳压电源

引言

众所周知，许多科学实验都离不开电，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就是在实验开始前对一些参数进行预设。这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。本文所介绍的就是一个将开关电源和线性电源有机地结合起来，兼具二者优点的高性能直流稳压电源。由于在该电源中引入了单片机控制，故该电源还具有一定的智能化,可实现定时开、关机，定时变压，显示输出电压、电流，预置输出电压值等功能。

1 电路原理与硬件实现

该电源主要分为整流、变压部分，调压、稳压部分以及控制部分。具体地说是用开关电路实现整流与初级变压，用可调三端稳压器实现调压与稳压，而用单片机控制整个电源的工作。电路原理图见图1。交流输入经整流后，送入高频开关电路。高频变压器输出端共有6路，其中3路作为辅助电源，另3路作为主功率输出的前级线圈。为提高输出电压精度并减少损耗，主功率输出采用电压分档调节的方法，由于输出电压为0～30V，故考虑分3档比较合适。其中Vc为单片机D/A变换器输出的电压值，Vc的变化将直接决定输出电压的变化。Vin由开关电路的输出端提供，Vin大小的调整是通过单片机控制继电器的开合来实现不同个数的开关电路输出端的电容的串联来实现的。因为Vin是随着输出给定Vc变化的,Vc小Vin也小，Vc大Vin也大，故当输出电压在0～30V间变化时,三端可调稳压器的输入端与输出端的压差均不会很大,这样既保证了精确调压,又减少了线性电路部分的损耗。图中A/D变换器所采集的是输出电压、电流的值，这些数据可用来实现过流保护与输出显示。因为，该电源中的开关电路需要有多路输出，故选用能方便实现多路输出的反激式开关电路，可调三端稳压器选用最大输出为3A/33V的LM350，而单片机选用ATMEL公司的AT89C51。A/D变换器选用ADC0809芯片，D/A变换器选用DAC0832芯片。


　　　　　图１　电源主电路原理图

2 软件设计

该电源系统控制界面由16个按键和16×2字符点阵式液晶显示器组成。液晶显示屏可显示输出电压、电流值，定时值等。这些控制功能都是由一个主程序加若干中断子程序来实现。主程序流程图如图2所示。

　　　　　　　　图２　程序流程图

开机后先初始化，将单片机的各个口复位,然后从EEPROM中读取前次关机时存入的各项数据,并按要求输出。接着单片机的CPU就开始等待键盘输入所产生的中断,中断响应后就进入相应的子程序更新输出与显示,接着等待下一次中断。

3 实验结果

该电源实现的功能如下：

——输入交流电压范围为90～240V时均可正常工作；

——输出电压0.0～29.9V可设定，调压精度为0.1V。输出电流0.0～1.5A；

——人机界面好，采用键盘设定，液晶显示，能显示输出电压、电流值和定时时间；

——可定时开机、关机，可定时变压，定时时间长度最长为99h59min59s；

——具有过流保护功能，过流值可设定,并具有三端可调稳压器本身所具有的过热保护功能。

??? 输出电压精度的测试结果见表1，从表1可知，该电源无论是空载、轻载还是满载输出电压的精度均比较高，输出电压的误差<0.1V。而输出电压纹波的测试结果见图3及图4。从图中可知，空载时输出电压的纹波峰峰值较小，约为20mV左右；满载时输出纹波会变大一些，峰峰值约为50mV左右。但总的来说该电源的输出电压的纹波较小，输出特性良好。

图３　空载时的输出电压纹波



图４　满载时的输出电压纹波

表1 输出电压精度测试结果

电压设定值/V 　　　　　实测输出电压/V

　　　　　　　　　空? 载 　　轻? 载 　　满? 载

0 　　　　　　　　0.098 　　0.098 　　0.098
5 　　　　　　　　5.02 　　　4.99 　　　4.94
9.9 　　　　　　　9.86 　　　9.84 　　　9.82
10 　　　　　　　10.08 　　10.07 　　　10.03
15 　　　　　　　15.06 　　15.03 　　　14.96
19.9 　　　　　　19.90 　　19.87 　　　19.82
20 　　　　　　　20.09 　　20.06 　　　19.99
25 　　　　　　　25.05 　　25.02 　　　24.94
29.9 　　　　　　29.89 　　29.87 　　　29.83

4 结语

由于该电源在结合了线性电源与开关电源各自优点的基础上还加入了单片机控制，不仅小巧、轻便、输出特性良好而且还操作简单，具有控制智能化等特点，因此，十分适用于各种科学实验与小功率的电子设备中，相信会有很好的应用前景。