数控直流稳压电源的设计2Word格式.docx

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（2）理论方案书：

具体的原理图，逻辑分析，理论计算，电路仿真结果等。

（3）验证方案及验证结果：

包括验证方案的原理，采取的措施，实际验证的结果等

（4）设计总结：

包括实践中出现的问题，解决方法，心得体会等。

（5）参考资料：

包括采用的芯片，电路，参考书等。

摘要

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。

任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。

特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。

本文基于这个思想，设计和制作了符合指标要求的开关稳压电源。

开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点,被称作高效节能电源。

由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想设计了一个1～5V可调的低功率开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。

本文以开关电源的发展历史、发展现状以及发展趋势为线索，介绍了开关电源的一些新技术，技术指标，分类标准等。

并根据这些标准设计了一种满足小型电子设备供电需要的开关稳压电源。

电源设计的主要指标是：

输入电压为AC220V，输入频率为50HZ，输入电压范围为AC165V～265V，输出电压为直流1～5V可调，输出最大电流为150mA，输出最大功率为2.25W。

最后在完成基本指标的基础上，本文还增加了防浪涌电流的附属功能，使电路更加满足小型电子设备的用电需要。

数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；

本文介绍了利用数/模转换电路、辅助电源电路、去抖电路等组成的数控直流稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；

它与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在1～5V之间连续可调，其输出电压大小以1V步进，输出电压的大小调节是通过“＋”“－”两键操作的，而且可根据实际要求组成具有不同输出电压值的稳压源电路。

该电源控制电路选用89C51单片机控制主电路采用串联调整稳压技术具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。

详细分析了电源的拓朴图及工作原理。

关键词：

稳压电源；

单片微型机；

数控直流；

D/A转换

引言

数控支流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛的用于电子电路，教学实验和科学研究等领域。

目前实用的直流稳压电源大部分是线性电源。

利用分离器件组成，其体积大，功率底，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。

随着电子科技的飞速发展，各种电子，电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断差朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化发展。

以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压电源输出电压和输出电流精度，降低了对模拟电路的要求。

智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。

输出电压和限制电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。

目录

摘要……………………………………………………………………………3

引言……………………………………………………………………………4

1绪论……………………………………………………………………………………………6

2开关电源的概述………………………………………………………………7

2.1开关电源的定义………………………………………………………………………………………………………7

2.2开关电源的分类………………………………………………………………………………………………………7

2.3开关电源的选用………………………………………………………………………………………………………9

2.4开关电源技术的发展动向…………………………………………………………………………………………10

2.5开关电源的工作原理和特点……………………………………………………………………………………..10

3本设计方案思路……………………………………………………………………………13

3.1稳压源的技术指标和要求………………………………………………………………………………………..13

3.2总体设计框图…………………………………………………………………………………………………………14

4单元电路设计………………………………………………………………………………15

4.1稳压电源部分…………………………………………………………………………………………………………15

4.2显示部分……………………………………………………………………………………………………………….15

4.3数模转换部分…………………………………………………………………………………………………………16

4.4数字控制部分…………………………………………………………………………………………………………17

5系统软件部分………………………………………………………………………………18

6制作与调试………………………………………………………………………………….19

6.1硬件电路的布线与焊接…………………………………………………………………………………………….19

6.2电路的组装与调试……………………………………………………………………………………………………19

7分析与心得…………………………………………………………………………………..22

参考文献……………………………………………………………………………………….24

致谢……………………………………………………………………………………………..25

附录……………………………………………………………………………………………..26

第1章绪论

电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自源，因此，电源越来越受到人们的重视。

电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。

20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。

在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。

20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。

20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。

到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了！

开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制—PWM开关电源效率可达65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。

在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。

线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。

随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；

航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。

因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。

此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。

第2章开关电源的概述

2.1开关电源的定义

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。

SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。

开关电源的三个条件：

1、开关：

电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

2、高频：

电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

3、直流：

开关电源输出的是直流而不是交流

2.2开关电源的分类

人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

2.2.1DC/DC变换

　　DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

（3）Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。

　　当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。

日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200~300）kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。

2.2.2AC/DC变换

　　AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。

按电源相数可分为，单项、三相、多相。

按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

2.3开关电源的选用

　开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.5~1）%。

开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点：

2.3.1输出电流的选择

　　因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：

Is=K*If

式中：

Is—开关电源的额定输出电流；

If—用电设备的最大吸收电流；

K—裕量系数，一般取1.5~1.8；

2.3.2接地

　　开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000．EN61000．FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。

如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。

2.3.3保护电路

开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。

2.4开关电源技术的发展动向

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。

开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。

对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。

　　模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。

针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。

　　电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。

要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

2.5开关电源的工作原理和特点

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止．将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。

转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多．所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热。

成本很低。

如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意义。

开关变压器也不神秘。

就是一个普通的变压器。

这就是开关电源。

开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有。

　　简单地说，开关电源的工作原理是：

　　1.交流电源输入经整流滤波成直流；

　　2.通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上；

　　3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；

　　4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

　　交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰；

　　在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；

开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出；

一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。

以上说的就是开关电源的大致工作原理。

　　其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片，可以使外围电路非常简单，甚至做到免调试。

计算机开关电源的发展经过了AT、ATX、ATX12V三个发展阶段。

AT标准是由IBM早期推出PC/AT机时所提出的，提供+5V、-5V、+12V、-12V四组电压，具备硬开关。

ATX标准的产生具有划时代的意义，实现了软开机关机，可以通过远程网络唤醒，增加了+3.3V、+5VSB输出。

ATX12V是CPU等硬件发展的产物，主要是增加了+12V的输出能力。

开关电源技术参数

输入电压

1．正常情况下，交流输入的电源也可以用于直流输入。

2．当交流输入电压范围为85-264VAC，直流输入电压范围为120-370VDC；

当交流输入电压范围为210-370VDC，或根据开关选择输入范围为85-132VAC/170-264VAC。

输入冲击

指的是电源冷启动时的最大瞬间输入电流。

多路输出

1：

在多路输出电源中所列出的电流是每路输出的最大电流，每路输出的总值均不超过系列电源额定功率范围。

正常情况下，多路输出电源的V1输出是独立于其他几路输出。

对于共地产品，只需将V1的+/-极相应端子与其他几路的其他端子相连即可。

2：

对于多路输出的负载调整率的测试，是将被测试的那一路输出负载在额定值的20%-100%变化，其它各路输出负载都保持在额定值的60%进行。

输出功率

如果将输出电压调高，那么输出电流将相应减少以保持总功率不变。

如果将输出电压调低时，输出电流应不超过标准额定值。

输出纹波与噪声：

1．低频纹波：

频率为输入AC电源频率的2倍（直流输入时无此项）。

2．高频纹波：

频率与开关电源的内部脉冲调制（PWM）频率相同。

3．开关噪声：

与开关脉冲的频率相同中。

4．随机噪声：

与交流输入电压及开关频率无关。

工作温度

指电源在正常工作时的环境温度，如电源安装在设备的机箱内，工作温度就指机箱内部温度，而非室内或室外温度。

因此如果电源的工作温度超过额定标准，建议用户按电源功率定额值的2%/℃减额使用或采取风冷措施以使工作温度低于额定的最高工作温度。

第3章本设计方案思路

根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。

主要包括三大部分：

数字控制部分、模拟/数字转换部分（D/A变换器）及可调稳压电源。

数字控制部分用+、-按键控制一可逆二进制计数器，二进制计数器的输出输入到D/A变换器，经D/A器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1V的步进值增或减。

图3.1

3.1稳压源的技术指标与要求

设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源。

基本要求如下：

（1）、输出直流电压调节范围0～10V

（2）、输出直流电压能步进调节，步进值为0.1V。

（3）、由"

+"

、"

-"

两键分别控制输出电压步进增和减。

（4）、输出电压类型可选：

三角波、方波、直流电压。

3.2总体设计框图

图2

第4章单元电路设计

4.1稳压电源部分

图4.1

在图4.1中，该部分主要是由三端稳压器LM7812、LM7912、LM7805和若干个电容、二极管元器件组成，220V市电经220V／12V变压器降压后得到的双12V交流电压，经三端稳压器LM7812和LM7912得到+12V和-12V，再经过LM7805得到+5V的电压。

4.2显示部分

在图4.1中，显示部分比较简单，主要是由两个数码管和若干电阻组成，两个数码管分别显示电压的个位和十分位，该部分是由单片机完成的，数码管的各端口以依次连到AT89S51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口，完成对电压的显示功能。

图4

4.3模数转换部分

图5

本系统中的数模转换电路如图5所示。

它由DAC0832、两级低漂移的运放μA714及VREF电路组成。

DAC0832和运放U3A将CPU发出的8位二进制数据转换成0～-5V的电压，然后经运放U3B反向放大2倍，以得到0～10V电压。

因此，该DAC的转换分辨率为10／（28-1）=0.04V，即CPU输出给DAC的数据变化为1Bit，DAC输出电压的变化为0.04V。

VREF电路为DAC提供基准电压，调节R5A，可使基准电压保持为5V。

4.4数字控制部分

图6

数字部分主要是有AT89C51控制，它通过控制按键来达到对数字的控制，我们可以通过按键对电压进行调整，按照实际需要可以通过按键得到所需的电压，调节范围是0～10V。

第5章系统软件设计

图7

主程序流程如图7所示。

本电路采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。

为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。

采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达0.1V，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。

利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。

单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使