基于单片机的远程数控电源设计

基于单片机的远程数控电源设计内容摘要：

压相对变化量。 (4)负载调整率（电流调整率） 在额定电网电压下，负载电流从零到最大时，输出电压的最大的相对变化量。 (5)输出电阻 在额定电压下，由于负载电流变化引起输出电压 的变化 R=△ U/△ I。 (6)纹波系数和纹波抑制比 在额定负载下，输出纹波电压的有效值 rmsU 与支流电压 oU 之比γ = rmsU / oU 纹波抑制比是指在规定的纹波频率下，输出电压中的纹波电压 iU~ 与输出电压中的纹波电压 oU~ 之比，即 oU~ / iU~。 (7)温度漂移和温度系数 环境温度的变化影响元器件的参数变化，从而引起稳压器输出电压变化，称之为温度漂移，常用温度系数表示漂移大小。 (8)漂移 稳压器在输入电压，负载电流与环境温度保持一定的情况下，元器件的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫漂移，快变化叫噪声。 (9)响应时间 所谓响应时间，是指负载电流突然变化时，稳压器的输出电压从变化到新的稳定值之间的一段时间，在直流稳压器中，是用在矩形波负载电流时输出电压波形表示的称之为过度特性。 2． 1． 4 稳压电源的分类 按对 象分为直流和交流稳压器；按稳压方式分为参数稳压和反馈调整稳压器，参数稳压器主要利用元件的非线性实现稳压。 反馈调整稳压型是一个负反馈闭环自动调整系统，把输出电压的变化量经过取样比较放大，在反馈给控制调整元件，使输出电压得到补偿而接近原值以达稳压的目的。 以稳压器调整元件与负载的连接方式分为并联和串联型。 调整元件与负载并联的叫并联式或支流式稳压器，它通过改变调整元件流过电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定，这种的效率底。 调整元件与负载串联的叫串联型稳压器，调整元件串接在输入端 和输出端之间，输出电压就是依靠调整元件改变自身的等效电阻来维持恒定。 2． 2 直流线性稳压 电源设计的一般方法 在进行串联反馈型稳压电源的设计时，首先要根据设计任务下达的指标和要桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 7 求对电路的结构形式进行选择，然后对个元器件的参数进行计算，最后在根据设计任务提出的质量指标，如稳压系数，输出电阻等对电路进行验算和核实。 在设计稳压电源时，一般要给定下面的技术指标和要求：输出电压 Uo 及其调节范围，输出电流 Io及变化区域，纹波电压，稳压系数和输出电阻，输入电压变化范围及有无保护电路等。 不同的技术要求可以采用不同的结构电 路，在满足设计指标的前提下，电路是越简单越好，这样可以提高可靠性，降低成本，也容易制作。 设计计算只要有三方面的内容，一是对整流滤波电路提出设计要求，如整流输出电压及电流等，并根据对它的要求和条件设计整流滤波电路。 二是对稳压电路进行设计，即选择并计算取样电路，基准电压，比较放大器及调整元件。 三是对稳压电路的技术性能进行估算。 2． 2． 1 电路的选择 电路的选择是一个十分重要的工作，电路选择的好，就对以后的工作打下了很好基础。 否则，将是后患无穷，要么达不到指标，要么浪费太大，选择电路主要从两个方面考虑：一是要保 证能够达到任务下达的指标，并留有一定的安全裕量。 二是要从经济实惠方面考虑，在确保达到技术指标的前提下，电路越简单越好，少一个元件，从经济上来说，就少花钱，从可靠性上来说，就少了一个出故障的环节，相对来说就提高了可靠性。 从电路结 构上来考虑，一般也是从电源的质量指标（如稳压系数，输出电阻，输入电阻 及温漂等）和使用指标两个方面来考虑。 对于稳压系数在 ～ 之间的选用简单的串联反馈型晶体管稳压电路就可以达到，稳压系数在 ～ 之间的， 可选用带放大器串联反馈型的稳压电路，如果在 以下的， 除了选用带放大器的稳压电路外，还要从基准电压源，比较放大器等方面考虑，对于 以下的高稳定度的电源来说，还要考虑减少温漂和进一步提高稳定度的其他措施。 所谓使用指标是指输出电压，输出电流及其调节范围。 对于输出容量大的电源，要选用大功率的晶体管 并联或 复合管。 输出电压调节范围宽的稳压电源可以采用一组或两组辅助电源，也可以用分段调整或采用输入电压跟踪调整管压降的电路。 另外对于输出电阻这项指标要求低的电源，可采用集电极输出的方式电路，因为这种电路的稳定性好，又不需要过载保护。 2． 2． 2 确定对整流滤波电路 的要求 整流滤波电路是紧紧地与稳压电路连接在一起，整流滤波电路的输出电压就好似稳压电路的输入电压，整流滤波电路的输出电流就是稳压电路的输入电流。 确定了稳压电路的输入电压和电流，也就确定了整流 滤波 电路的要求。 在确定整流滤波电路输出电压 Ui 时，应考虑两点。 第一，考虑调整管的工桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 8 作状态，确保调整管能过工作在线性放大区，就必须要保持一定的管压降。 如果管压降过大，它的好处是好似相输出电压的调节范围加宽。 缺点就是加大了调整管的耐压和功耗。 如果管压降过小，虽然可以降低调整管的 耐压和功耗 ，但是，调整管容易进入饱和区失去调节功能。 因此调整管的选择要同时兼顾电压的调节范围和调整管的耐压及功耗。 第二，考虑交流电网的波动影响。 交流电网的电压的波动势必会反映到整流滤波的电路的输出电压上，即随之升高而上升，随之下降而下降。 按照国家 的 有关规定，在没有特别的说明下，一般都是按177。 10%来考虑的。 )(m ax  ii UU )(m in  ii UU 也就是说，当电网电压变化177。 10%的 时候 ，调整管处在线性放大区 ，从而使稳压电路能够保持正常的工作。 此外调整管的管压降与纹波电压 、 复合管的数量 、 电源的输出功率等因素都有密切的联系，要根据具体的性能要求来进行定性的分析和估算，然后才能确定。 根据经验，一般取 3～ 8V 就可以是调整管工作在线性放大区。 )83(  oi UU 在确定整流滤波电路的输出电流iI时，一方面要满足输出负载电流 oI 的要求，另外要保证供给调整管，放大管正常工作的工作电流，所以它应该大于稳压电路的最大 输出电流omI。 omi II  据所要求的稳压电路的输出电纹波电压 oU~ 和稳定系数 S，可以确定稳压电路的输入纹波。 iU~ = oU~ /S 2． 2． 3 选择调整管 选择调整管是设计稳压电源的一项重要的工作。 如果调整管的耐压和功耗 选的较小，使用时容易损坏；如果选的过大，不经济也增大了重量和体积。 为了确保调整管在各种不利的 条件下可靠的工作，并保证管子安全的工作，在选择调整管时应该满足耐压和最大功耗的要求。 单个晶体管作调整管时，其选择的条件如下： vomVCM II  )(0 m inoim UUB V vce  omoimcm IUUP *)( m in 如果稳压电路采用过电流保护时，在输出短路时，全部的输入电压 Ui 加到调整管上， 所以调整管的反向击穿电压 0ceBV 应该大于输入电压的最大值 imV ，并且调整管桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 9 的最大集电极 允许的功耗也应该比不加保护电路时大些。 当负载电流比较大 时，为了减小比较放大器的负担，多才用复合管做他调整管。 选择复合调整管应保证工作时不会超过它的极限参数，主要的参数有三个，即击穿电压 0ceBV ，最大集电极功耗 CMP 和最大集电极电流 CMi。 如果采用两只晶体管复合， VT1应该满足前面的条件， VT2 则要满足如下的条件： 0201 cece BVBV  omcm II 2 /β 1 2m in2 *)( cmoimcm IUUP  当要求稳压电路输出电流超过几安培以上时，调整管要用多管并联。 并联管子应该选特性基本相同的，以便使输出电流由各管平均分配。 除次，还要加均流电阻。 2． 2． 4 取样电阻的计算 取样电路实际上是一个分压器，输出电压的大小，直接由取样分压比 n 和基准电压 Uw 来决定。 取样电阻 R2 上的电压 UR2 近似为 202 RUUR  / )( 21 RR  = wbeW UUU  2 )/1( 210 RRUU W  = nUW/ Uw/n 式中的 )/( 212 RRRn  称为取样电路的分压比，改变分压比可改变输出电压。 为了提高输出电压的稳定性，应尽可能的把输出电压的变化量全部送到比较放大器的基极，也就是说分压比 n 应该取的大些。 但 n值太大接近 1，会使比较放大管的集 射极间压降过小，影响稳压范围，通常取 n=～。 取样电路的分压比变化，会引起稳压电源输出电压的变 动，因此对取样电路不仅要有一定的分压比，并且要求分压比 稳定。 要使 比较放大管的基极电流 2beI 的变化不影响取样电路的分压比， 那么 取样电路的电流应远大于放大管的基极电流，但又不能太大，否则取样电路的耗损也要增大，考虑这两方面的利弊，通常取流过取样电路的电流不大于最大输出电流 omI 的十分之一。 为了减少温度对取样电路的分压比的影响，取样电阻应该采用金属膜电阻。 在要求较高的稳压电源中，可用温度系数小的精密电阻。 2． 2． 5 确定基准电压 晶体管稳 压电路中的基准电压一般用硅稳压管来提供，基准电压的稳定性对稳压电路的稳定特性和温度漂移关系比较密切，硅稳压管的稳定电压最好选在 5～6伏左右，因为这个范围内硅稳压管的温度系数和动态电阻都是最小的。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 10 2． 2． 6 设计比较放大器 比较放大器将取样电路取来的电压信号 nU 与基准电压 WU 进行比较，并把二者的差值电压放大后去控制调整管，以稳定输出电压。 因此，比较放大器的增益和稳定性与稳压电路的技术性能有密切的关系。 为了提高稳压电路调整的灵 敏度及输出电压的稳定性，要求比较放大器的电压放大倍数高一些。 对于要求高的稳压电源，可以用差分放大器或两级比较放大电路。 2. 3 方案及其模块的构思与形成 从前面的任务分析中可以构思出如下的方案：采用晶体管的线性稳压和将输出电压反馈回输入端的电压串联负反馈来实现直流线性稳压。 同时以数模转换器来实现将数字信号转换成模拟信号以达到控制输出的目的。 至于输出电压的数字显示，则采用三位数码管的动态来显示。 在串口通信中，使用 MAX232 的经典三线连接法实现。 辅助电源就用三端集成稳压器来实现。 2． 3． 1 线性稳压输出的构 思与 形成 在这个模块中，经过前面的论述，选择了晶体管串联反馈的线性稳压输出方式。 这种方式是一个闭环反馈系统。 所以必须具备执行元件和反馈支路。 一般情况下，它包括调整管，取样电路，基准稳压源，误差比较放大器等主 要部分。 调整管是闭环调节系统的执行机构，其余部分是反馈控制支路 必须的，原理图如下： 图 1串联式反馈调整型稳压电源原理框图 图 2串联式反馈调整型稳压电源调节模式 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 11 从框图上可以看出，输入电压 U I经过调整元件调节之后，变成稳定 的输出电压 Uo，其执行动作是在误差比较放大器的控制下进行的。 取样电路和基准电压相比较，并把比较后的放大信号送入放大器，增强反馈控制的效果，因为取样得的是电压信号，所以这种电源实际上是以电压作为调节对象的自动调节系统。 图中Ko为调节系统开环时的电压传递函数，也就是系统的开环稳压系数； Kt为执行机构在系统闭环时的电压传递函数，也就是调整管电路的电压放大倍数； K为误差放大器开环电压放大倍数； N为取样电路的电压传递函数，也就是取样分压器的分压比，根据调节原理可知，该系统的调节函数为： )*1/(1 NKKF t  由此可知，无论输入电压波动还是负载变化对输出电压的影响，反馈系统比开环系统小（ 1+Kt+K*N）倍。 更具体点说，就是反馈调整型稳压电源在电网电压调整率，负载调整率等主要技术指标性能方面，都比参数型的稳压电源要提高（ 1+Kt+K*N）。 这就是反馈调整型稳压电源应用 得 更普遍的原因。 其优点是，输出电压范围不受调整元件本身耐压的影响，各项技术指标都可以达到很高。 缺点是线路很复杂，过载能力差，瞬时过载会使调整元件损坏，需要过载保护，因此，串联反馈调整型电源广泛的用在负载变动较大，稳压性能要求较好，输 出电压可调等场合。 这种电路的具体工作原理见后面的分析。 现在就晶体管串联负反馈提出两种稳压输出的模块方案。 方案一 集电极输出式的线性稳压 把负载接到调整管的集电极，就成了集电极输出式的稳压电源电路。 VT1 是调整管，用 PNP 管， VT2是比较放大管，是一只 NPN 管。 这种接法与发射极输出方式不同，否则就成为正反馈，丧失稳压能力。 当输入电源电压 iU 增大或输出电流 oI 减少使得输出电压升高时，取样电路中的 2rU 也随着增加，有如下的关系式： 2beVWo UFUU  即： oVWbe UFUU )1(2  因为 VF 《 1，所以有 2beU 与 oU 的变化方向相反。 由于 iU 增大时 oU 增大，那么2beU 减小，使得 2cI 减小， 4rU 减小调整管的基射极正向偏 置电压 由 4rU 提供的， 4rU减小后， VT1 的 1bI 减小， VT1 的 1ceV 增加，抵消了输入电压 Ui的增大，使输出电压Uo基本稳定，集电极输出电路经常会发生这样的问题：电路在接入输入电压 Ui时，可能会发生调整管截止，输出电压为零的不正常情况。 图 3 中的调整管 VT1 并联的电阻 R5叫启动电阻，这样，输入电压 Ui可以通过R5 加到输出端，放大管因为有了基极电压而工作，致使 调整管也正常工作，整个电路才能正常工作， R5的选取应适当，选的过大，启动效果不好；选的过小，它的分流作用使 VT1 的调整作用减弱，使得稳压电路的稳定性能变坏，纹波加大。 通常 R5是负载电阻的十倍左右。 集电极输出电路有短路自动保护作用。 当输出端短 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 12 图 3集电极输出模块的原理图 路 时，放大管 VT2 因失去 基 极电压截止，集电极电流很小。 负载恢复正常后，电路自动恢复正常。 集电极输出式电路中，因为负载接在调整管的集电 极上，调整管也有放大功能，等于稳压电路多了一级放大，所以稳压系数大。 其缺点是输出电阻高，因此使用于固定负载的供电电源。 方案二 射极输出式线性稳压 射极输出式又叫共集电极电压输出式。 射极跟随器的理论推导如下：这里限于篇幅，只对其电压增益和负载能力作简要的说明： （ 1） 电压增益 由公式可得出电压增益为 : 图 4共集电极电路原理图 由以上的推导可知，电压跟随器的输出电阻很低，一般在几十到几百欧。 为降低输出电阻，应选用β较大的三极管。 综合上面的可知，电压跟随器的特点是：电压增益小于 1而接近 1，输出电压与输入电 压是同相的，输如电阻高，输出电阻桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 ____________________________________________________________________________________________________ 13 低。 虽然电压跟随器的电压增益小于 1，但它的输入电阻高，可减少放大电路对信号源（或前级）所取的信号电流。 同时，它的输出电阻低，可减少负载变动对电压 增益的影响。 另外，它对电路仍然有放大作用，由于它具有这样的优点，致使电压跟随器获得了广泛地应用。 在直流线性稳压电源中就是个很好的应用。 由前两种方案有如下比较： 表 1两种方案的比较 从前面的分析可知，选用电压跟随器的射极输出很很好的符合题目的 要求。 由于一般三极管的放大倍数有限，难以弥补方案二的稳压系数的缺憾，所以选用集成运算放大器来改善之，在这里又要涉及到电压负反馈以实现它能够稳压的目的，所以有必要介绍电压串联负反馈，其介绍如下：将放大。