直流穩(wěn)定電源

1、A題直流穩(wěn)定電源（本科組）電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告摘要本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為核心，將220v市電降壓整流得到直流電壓，結(jié)合穩(wěn)壓電源電路、穩(wěn)流電源電路、DC-DC變換電路三大部分構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。電壓可調(diào)范圍1.25-20V，恒流范圍 2-25mA，DC-DC變化可達(dá)150V/120mA。該系統(tǒng)具有數(shù)字顯示，過(guò)流、過(guò)熱、短路保護(hù)，參數(shù)優(yōu)良的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、DC-DC變換系統(tǒng)特色：1穩(wěn)壓電源可調(diào)范圍寬，負(fù)載調(diào)整率低，電壓調(diào)整率低，并具有過(guò)流、過(guò)熱、短路保護(hù)和軟啟動(dòng)防過(guò)沖等功能。2降壓變壓器采用了多繞組選擇方式，降低了串聯(lián)穩(wěn)壓電源的壓差，解決了線性電源效率低、發(fā)熱量大的缺點(diǎn)。并采

2、 用STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)板作為人機(jī)交換界面，直觀、方便、美觀。3.DC-DC變換電路采用單端反激電路，具有效率高，體積小的特點(diǎn)，結(jié)合CLC濾波電路有效控制了紋波。4采用STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)板作為人機(jī)交換界面，直觀、方便、美觀。結(jié)合16位的ADC芯片ADS1115采集電壓電流，精度高。1總體方案設(shè)計(jì)整個(gè)方案設(shè)計(jì)合理，我們用變壓器將市電220v降壓到我們需要的電壓范圍，經(jīng)過(guò)繞組切換電路，降低輸入輸出端 壓差，經(jīng)過(guò)整流濾波電路給穩(wěn)壓電源提供電源，穩(wěn)壓電源為穩(wěn)流電路和DC-DC變換電路提供電源。通過(guò)電壓電流的采集，在LCD顯示屏上顯示電壓、電流、功率和繼電器狀態(tài)。過(guò)流/短路保護(hù)電路為整個(gè)電路提供安全保

3、障?？傮w設(shè)計(jì)框架：如圖 1.1所示。11 r過(guò)流保護(hù)市電變壓器降壓P繞組切換J1整流，濾波1 短路保護(hù)電壓電流采集k穩(wěn)壓電源穩(wěn)流電源DC-D破換器圖1.1總體設(shè)計(jì)框架2方案論證2.1穩(wěn)壓電源模塊方案一：使用78系列穩(wěn)壓芯片，電子產(chǎn)品中常見(jiàn)到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負(fù)電壓輸出的79系列。這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子和普通的三極管相 似，TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍 元件極少，電路內(nèi)部還 有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)方便可靠，價(jià)格便宜。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在

4、三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大 的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。此外，還應(yīng)注意，散熱片總是和最低電位的第腳相連。這樣在78系列中，散熱片和地相連接，而在79系列中，散熱片卻和輸入端相連接。缺點(diǎn)是它是串聯(lián)分壓穩(wěn)壓，功耗大，發(fā)熱量大，效率比較低。方案二：使用LM317，輸出電壓：1.25-37V DC ;輸出電流：5mA-1.5A ;芯片內(nèi)部具有過(guò)熱、過(guò)流、短路保護(hù)電路； 最大輸入-輸出電壓差：40V DC,最小輸入-輸出電壓差：3V DC ;使用環(huán)境溫度：-10-+85 C。LM317是應(yīng)用最為廣泛的電 源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路

5、的最簡(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。此外，它的調(diào)壓范圍寬、 穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)。方案三：LT1083是凌利爾特公司生產(chǎn)的大功率線性三端穩(wěn)壓集成電路，采用TO-3P封裝，輸出電流高達(dá)7A。它能夠在低至1V的壓差條件下運(yùn)行，壓降能夠在最大電流條件下保證在1.5V內(nèi)，且負(fù)載電流減小時(shí)允許壓差同時(shí)減?。豢稍诙喾N電流水平條件下通過(guò)片內(nèi)修正電路，提供所保證的最小壓差，并能夠使輸出電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)全 1%。其電壓調(diào)整率為0.015%，負(fù)載調(diào)整率為0.01%，具有熱功耗限制保護(hù)。本設(shè)計(jì)選擇用方案三，LT1083制作的穩(wěn)壓電源板，帶過(guò)熱過(guò)流保護(hù)功能。采用軟啟動(dòng)接法，加一級(jí)LC濾波，性能提升

6、很大。該芯片可以達(dá)到最大7.5A的電流，我們這里設(shè)計(jì)2.5A，完全沒(méi)有問(wèn)題。2.2穩(wěn)流電源模塊方案一：利用運(yùn)放構(gòu)成深反饋電路，可以有效抑制外接干擾，使得恒流電源工作穩(wěn)定性增強(qiáng)。方案二：利用LM317集成基準(zhǔn)電壓源，其3端與1端之間固定降壓為1.25V，流經(jīng)固定電阻后產(chǎn)生恒流的 電流。方案三：利用TL431電壓基準(zhǔn)和LM358運(yùn)放構(gòu)成深反饋電路，TL431高精度可調(diào)穩(wěn)壓基準(zhǔn)提供一個(gè)完美 的參考電壓， 結(jié)合運(yùn)放構(gòu)成的深反饋可以得到性能十分優(yōu)良的可調(diào)恒流源。鑒于各方面考慮，方案一輸出電流受運(yùn)放性能限制，方案二受溫度影響較大。本設(shè)計(jì)選擇方案三，可以 完美的達(dá)到性能指標(biāo)。2.3 DC-DC變換模塊方案一

7、：boost型DC-DC升壓器。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，但是輸入輸出電壓比太大，占空比大，輸出電壓范圍小，難以 達(dá)到較高的指標(biāo)。方案二：帶變壓器的開(kāi)關(guān)電源。由于使用變壓器，開(kāi)關(guān)管占空比合適，可做到輸出電壓范圍寬。方案三：采用單端反激開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源常用于將220v交流高壓變換成直流低壓，這里則是將低壓變換成高壓，從理論上講也是可以實(shí)現(xiàn)的，但是電路需作相應(yīng)的變化。此次選用方案三，單端反激式開(kāi)關(guān)電源具有體積小，效率高的特點(diǎn)，特別適用于小功率場(chǎng)合，對(duì)于這次的要求，選用方案三是在合適不過(guò)的。3總體設(shè)計(jì)總體電路可由六大模塊構(gòu)成：1繞組切換與整流濾波模塊；2過(guò)流保護(hù)模塊；3.穩(wěn)壓電源模塊；4穩(wěn)流電源模塊；電壓

8、電流采集與顯示模塊；DC-DC變換模塊。3.1硬件電路設(shè)計(jì)：3.1.1繞組切換與整流濾波模塊電路：選用繞組切換電路來(lái)切換變壓的不同繞組，可以降低三段穩(wěn)壓器輸入輸出兩端的壓差，降低發(fā)熱量，提高效率。其具 體電路圖如圖3.1.1所示。圖3.1.1繞組切換電路圖3.1.1繞組切換電路3.1.2過(guò)流、短路保護(hù)模塊電路：過(guò)流保護(hù)通過(guò)單片機(jī)的電流采集電路來(lái)判斷電路是否過(guò)流或者短路，并利用軟件控制手段實(shí)現(xiàn)高可靠的自恢復(fù)功能，能在故障排除后自動(dòng)恢復(fù)電路。采用繼電器作為開(kāi)關(guān)器件，控制電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。其電路圖如圖圖3.1.2繼電器模塊電路3.1.3穩(wěn)壓電源模塊電路：采用了 LT1083三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片作為主

9、芯片，如圖3.1.3所示。配合軟啟動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)上電防過(guò)沖的特點(diǎn)。軟啟動(dòng)電路由C8、Q2、R1構(gòu)成，剛上電時(shí)由于電容的充電過(guò)程使得電壓慢慢上漲，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)的功臺(tái)匕乓I匕。CON2D3 ICON2D3 IN牝叮圖酒.3穩(wěn)壓電源電路3.1.4穩(wěn)流電源模塊電路:穩(wěn)流電源采用運(yùn)算放大器和恒流源電路，性能優(yōu)良。其電路圖如圖3.1.4穩(wěn)流電源模塊電路:穩(wěn)流電源采用運(yùn)算放大器和恒流源電路，性能優(yōu)良。其電路圖如圖3.1.4所示。TL431高精度可調(diào)基準(zhǔn)源做深反饋式rKDIrKDI圖3.1.4穩(wěn)流電源電路3.1.5電壓電流采集電路：電壓采集采用分壓電阻取樣，禾U用運(yùn)放做電壓跟隨器，匹配阻抗，可以很精準(zhǔn)的測(cè)量

10、電壓電流值。電流采樣部分采用TI公司的INA282電流分監(jiān)器芯片，具有50倍的固定增益，穩(wěn)定可靠，配合康銅絲電阻，可以很精確的得到電流的具體數(shù)值。其電路圖如圖3.1.5所示。圖3.1.5電壓電流采集電路3.1.6 DC-DC變換模塊：DC-DC變換模塊部分我們使用UC3843芯片作為核心控制器件，具備穩(wěn)壓和過(guò)流保護(hù)功能，調(diào)整率低，工作電壓低的特點(diǎn)。其電路如下圖3.1.6所示。71TT-?n5f-irM10y/tlV?71TT-?n5f-irM10y/tlV?.二tELIINDLCIUH2-2ajH.5i.iv6 DC-DC變換電路3.2軟件設(shè)計(jì):軟件的整體流程如圖3.2.1所示。當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，

11、首先初始化各個(gè)模塊，然后采集電壓電流信號(hào)，并顯示。3S后執(zhí)行重合閘操作。3S后執(zhí)行重合閘操作。圖3.2.1圖3.2.1軟件流程圖4系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析4.1測(cè)試方法用數(shù)字萬(wàn)用變測(cè)試電壓和電流值。利用EXCEL表格記錄數(shù)據(jù)。用10Q大功率水泥電阻對(duì)穩(wěn)壓電源進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試。4.2測(cè)試儀器普源TDS1002 100M數(shù)字示波器；數(shù)字萬(wàn)用表；10Q大功率水泥電阻；4.3測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)壓電源性能指標(biāo)測(cè)試：測(cè)試條件：10Q水泥電阻作為負(fù)載。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-3-1 所 示表5-3-1穩(wěn)壓電源測(cè)試數(shù)據(jù)空載電壓(V)帶載電壓(V)電流(A)負(fù)載調(diào)整率5.555.550.530.000%10.9810.951.040

12、.273%12.4112.391.190.161%15.6317.7915.617.751.51.720.192%0.225%電壓可調(diào)范圍：1.25V-18.5V ;紋波(空載):980uV;紋波(1.5A 滿(mǎn)載)：1.65mV ;穩(wěn)流電路指標(biāo)測(cè)試：測(cè)試條件：12V供電的條件下，負(fù)載端分別接150 Q、220 Q、330 Q電阻測(cè)試其電流大小，并調(diào)整不同的電流大小以測(cè)試其可調(diào)范圍。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-3-2所示。表5-3-2穩(wěn)流電路測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試電流(mA150Q220 Q330 Q負(fù)載調(diào)整率第一組P 24.02P 24.02P 24.020.00%第二組20.0020.0020.000.00%第二

13、組r 14.90P 14.98P 14.980.00%第四組10.0310.0310.030.00%第五組1.701.701.700.00%第六組0.700.700.700.00%DC-DC變換電路測(cè)試:輸入電壓輸出空載電壓帶載(20mA負(fù)載調(diào)整率(20mA-H4- + 、，帶載負(fù)載調(diào)整率(100mA9.00 V100.199.30.799%(100ma)3.696%12.08v100.199.80.300%97.72.398%輸出紋波：35.2mV5結(jié)論5.1作品達(dá)到了題目所有基本和部分?jǐn)U展功能及指標(biāo)的要求:（1 ）穩(wěn)壓電源在輸入電壓220V、50Hz、電壓變化范圍+ 15% 20%條件下：

14、輸出電壓可調(diào)范圍為+9V +12V最大輸出電流為1.5A電壓調(diào)整率w 0.2% （輸入電壓220V變化范圍+ 15%20%下，空載到滿(mǎn)載）負(fù)載調(diào)整率w 1% （最低輸入電壓下，滿(mǎn)載）紋波電壓（峰-峰值）w 5mV （最低輸入電壓下，滿(mǎn)載）效率40% （輸出電壓9V、輸入電壓220V下，滿(mǎn)載）g具有過(guò)流及短路保護(hù)功能（2）穩(wěn)流電源在輸入電壓固定為+ 12V的條件下:輸出電流：4 20mA可調(diào)負(fù)載調(diào)整率w 1% （輸入電壓+ 12V、負(fù)載電阻由200 Q 300 Q變化時(shí)，輸出電流為20mA時(shí)的相對(duì)變化率）（3）DC-DC變換器在輸入電壓為+9V +12V條件下：輸出電壓為+100V，輸出電流為10mA電壓調(diào)整率w 1% （輸入電壓變化范圍+9V +12V）負(fù)載調(diào)整率w 1% （輸入電壓+12V下，空載到滿(mǎn)載）d .紋波電壓（峰-峰值）w 100mV （輸入電壓+9V下，滿(mǎn)載）（4）擴(kuò)充功能a.排除短路故障后，自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)b .過(guò)熱保護(hù)c .防止開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“過(guò)沖”（5）提高穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)a.提高電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率b .擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍