利用固态继电器阵列实现高精度可调直流稳压电源设计

张凯华，任勇峰

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

利用固态继电器阵列实现高精度可调直流稳压电源设计

张凯华，任勇峰

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

在利用三端集成式稳压器LMH317构成直流稳压电源的基础上，添加由固态继电器阵列控制导通的高精度电阻，通过计算进行合理取值。由主控制器FPGA执行上位机指令，实现稳压器输出端电压大小调整。继电器AQY210具有电气开关特性，且内阻较小，对输出电压精度影响较小，通过对输出电压的正确标定，使其具有输出范围宽，精度高的优点，能够满足现代工业发展对能源供给装置的需求。

直流稳压电源，固态继电器，高精度，稳压器

0 引言

目前，国内应用较多的获得某一确定输出电压的方法是采用线性稳压直流电源，该电源的输出电压比输入电压低，反应速度快，输出波纹较小，且工作时产生的噪声低。在满足可调稳压器输入电压要求的前提下，通过调整稳压器调整端输出设置电阻，在输出端得到理想的输出电压。其应用缺点是调整端电阻在接入电路后阻值无法改变，造成电路的输出电压比较单一，无法满足现代工业对电源输出电压范围大，精度要求高的特点［1］。

本设计在上述原理的基础上，添加了固态继电器AQY210阵列，每个固态继电器都与有确定阻值的电阻串联，通过调整继电器接入电路的状态（打开或闭合）来控制稳压器调整端的输出设置电阻，从而实现输出端电压的可调。

1 设计要求及方案制定

高压输出直流模件要求其驱动能力大于20 mA，具有10路电压输出能力，10路之间进行隔离设计，每一路可单独输出7种所需电压，输出电压可调整为12 V、14 V、26 V、28 V、30 V、34 V和36 V；同时要求输出电压精度优于1%。

针对以上设计要求，制定方案如下页图1所示，单独一路输出采用单相交流电经过变压器、整流电路、稳压电路的方式，10路之间采用并行输出，可同时输出不同电压。继电器阵列在控制模块FPGA控制下，响应上位机软件下发的指令，执行打开或者闭合操作，确定接入稳压器调整端的电阻，从而控制输出端电压。

图1 方案设计框图

变压电路的作用是将220 V，50 Hz的交流电网电压变为合适的交流电压，经桥式整流电路，把正，负交变的电压变成单方向脉动的直流电压。再在整流电路的输出端(即负载两端)并联一个电容构成电容滤波电路，利用电容滤波电路中电容的充、放电作用，得到较为平滑的直流电压。稳压电路部分则采用三端可调式集成稳压器LMH317来实现［2］，该稳压器的输出电压可调范围为1.25 V～37 V，输出电流1.5 A，内部带有过载保护电路，具有稳压精度高，工作可靠性高等特点，能够满足输出电压范围要求。

2 电路设计

整体电路的设计需要在满足稳压器LMH317工作条件的前提下进行。稳压器的三端分别为电压输入端VIN，电压输出端V0UT和调整端ADJ，调整端是基准电压电路的公共端［3］。在应用稳压器时，一定要保证输入端与输出端之间至少有2 V～3 V的压差，最大压差不超过40 V，才能保证其内部调整管的调节作用。由于所需的最大输出电压为36 V，考虑到1 V的电压冗余，可计算LMH317输入端要求的输入电压至少为40 V。

2.1 整流滤波电路

设计选用的变压器为定制变压器，初级电压为220 V，次级电压为40 V，即U2=40 V；

由于负载驱动电流I≥20 mA，计算最大负载电阻：

整流电路部分采用桥式整流电路，输出电压平均值：

输出电流的平均值：

考虑到电网电压存在±10%的波动电压，变压器输入电压通常在200 V与240 V之间，故整流桥二极管承受的最大平均电流和最大反向电压均应有10%的余量，即乘以1.1倍。

二极管承受的最大平均电流：

二极管承受的最大反向电压：

设计所选的整流桥规格为0.5 A/200 V，完全能够满足上述要求。

电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路［4］，在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容构成一个电容滤波电路。滤波电容容值一般比较大，因此，一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用的是电容的充、放电作用，使输出电压趋于平缓。

利用Multisim 10设计上述仿真电路如下页图2所示。

获得输入电压整流前和滤波后的波形如下页图3所示。

从输入电压波形可以看出，经整流桥整流和电容滤波后，电压波形趋于稳定，幅值在54.559 V左右，满足稳压器的输入要求。

2.2 稳压电路

稳压电路按照可调稳压器LMH317标准外围电路连接，二极管对电路起到保护作用。电阻R1为设置电阻，参考阻值为240 Ω。其两端电压，即输出端与可调整端间的电压始终等于基准电压VREF（=1.25V）。电阻R2为输出电压调节电阻，决定稳压器输出电压的大小，且最小输出电压为1.25 V。

当稳压器输入电压满足要求时，计算输出端电压表达式为：

图2 Multisim 10仿真电路

图3 输入电压波形

图4 36 V输出电压波形

调整端电流IADJ很小，约等于50 uA，且非常稳定。

为实现该直流稳压电源具有可调输出电压的功能，将LMH317调整端与由固态继电器阵列控制导通的高精度电阻相连。应用的继电器型号为AQY210［5］，是一种用较小电流控制较大电流运作的“自动开关”。该继电器采用的是电气连接，避免了机械开关在操作时对电路造成的磁场干扰，提高电路的稳定性。开关闭合所需要的导通电流为0.9 mA～3 mA，常温下内阻在16 Ω与18 Ω之间，带来的理论输出电压误差小于0.03%。工作时，由上位机软件下发指令至控制芯片FPGA，控制继电器开关引脚2为逻辑电平“0”，产生2.75 mA的导通电流，开关由打开状态变为闭合状态，与继电器串联的一路电阻便接入电路。设计电路如图5所示。

图5 电路原理图

电路中的二极管对电路起到保护作用，设计电路时根据设备需要的输出电压计算出各电阻阻值，由于电阻的精密程度直接影响输出电压的精度，因此，采用精度为1%的高精度电阻。从原理图中可以看出，最右侧一路电阻始终接入电路，用来产生最大输出电压36 V。当VOUT=36 V时，要求固态继电器开关全部处于断开状态，利用式（1）计算接入电路的电阻阻值R2=6 672 Ω，根据市场上可购买的电阻阻值，该路电阻须由阻值分别为6.2 KΩ和470 Ω的电阻串联获得。

当有一个固态继电器开关闭合时，两路电阻会同时接入电路，形成并联，使输出电压减小。由于与每个继电器开关串联的电阻阻值不同，闭合不同的开关会使稳压器调整端输出设置电阻阻值发生变化，根据稳压器功能，其输出电压也会发生变化。

若想获得34V的电压，计算继电器开关串联电阻阻值为109.8KΩ，该阻值可由107KΩ和2.26KΩ的电阻串联获得。同理，获得各输出电压所需要的串联电阻如表1所示。

利用Multisim 10仿真电路对基准电压Vref和36 V输出电压Vout进行测量，波形图如图4所示，可以看出稳压器基准电压维持1.25 V稳定，输出电压在上电300 ms后趋于稳定，幅值为36.32 V。

3 实验结果分析

根据设计原理图合理布局PCB板并进行制作，搭建实验平台，对实际输出电压进行测量，理想输出电压与计算输出电压之间存在差别，与实测输出电压进行比较并计算误差，如表2所示。

表2 输出电压及误差计算

由于理想输出电压与计算得到的输出电压存在差异，对两者进行标定，如图6所示：经多次测量，获得直线方程y=kx+b，其中k=1.001 48，b=-0.05715，该方程用于校准理想输出电压与计算输出电压之间的偏差［6］。实验得到的输出电压误差不大于0.1 V，电压误差率小于1%，满足电源的高精度设计要求。

图6 标定直线

4 结论

本设计主要是针对如何简单有效地获取一系列高精度输出电压，涉及一种利用固态继电器阵列改变可调稳压器调整端输出设置电阻，进而获得不同输出电压的方法。设计的优越性在于电路采用三端可调稳压器LM317，避免了开关电源带来的脉冲干扰，满足纹波系数要求。电阻采用低温度系数，1%精度电阻，能够在温度变化范围比较大的环境下稳定工作，保证输出电压的精度。稳压器调整端采用固态继电器开关阵列来控制电阻的导通，继电器导通电流较小，功耗较低，而且内阻阻值稳定，对电路输出影响较小，控制简单方便。而且上位机软件通过控制模块FPGA能够实现对多路输出电压的控制，各路输出电压之间相互独立，互不干扰，可分别输出不同的电压。

［1］甄国涌，宁合伟，贾成伟.某测试台用高精度数控直流稳压电源的设计［J］.火力与指挥控制，2011，36（11）：118-119，124.

［2］冯平，张治中.基于可调式稳压器LM317的直流稳压电源［J］.电子测试，2009（5）：70-73.

［3］沙占友，王彦朋，尚燕.新型集成稳压器件应用指南［M］.北京：化学工业出版社，2005．

［4］赵学泉，张国华.电源电路［M］.北京：电子工业出版社，1995.

［5］苏虎平，沈三民，刘文怡，等.基于USB和FPGA的多功能等效器设计［J］．电视技术，2012，36（23）：50-53．

［6］宋政辉，赵立芬，张鑫.直流稳压电源自动检定系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2012，20（4）：875-877.

Design of High Precision Adjustable DC Regulated Power Supply Used Solid State Relay

ZHANG Kai-hua，REN Yong-feng
（National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

This design is based on the DC power supply which used the three-terminal adjustable regulator LMH317，added the precision resistors controled by an array of solid state relays and selected the value of resistance by calculating.With the FPGA execute instructions，the adjustable of the output voltage is realized.AQY210 is a switch with electrical characteristics，and the interface resistance is small.It has a little infulence on the precision of output voltage.With the correct demarcate of output voltage，the output scope would be wide and the precision would be high，it can also satisfy the demand of energy supplies to the modern industry development.

DC regulated power supply，solid state relay，high precision，voltage regulator

TN86

A

1002-0640（2015）05-0171-04

2014-03-12

2014-04-28

张凯华（1991- ），男，山西临汾人，在读硕士研究生。研究方向：电子测试仪器与系统。