精密数控直流电源的设计

重庆工程职业技术学院 张 丽

精密数控直流电源的设计

重庆工程职业技术学院 张 丽

设计了一种以串联型开关电源为主体、以单片机控制系统为核心的可调型数控电源,实现了电压从0V起调,最高24V输出。着重介绍了数控直流电源的总体方案及主要电路的设计方法,结果表明该电影具有输出性能稳定的特点,具有一定的实用价值。

开关电源;单片机;直流电源

1 引言

随着科学技术的不断发展,电源作为电器设备的供电电路,也在不断的发展和完善中。电路系统需要有电源的带动才能使各模块运行起来,所以电源在电路系统中起到了至关重要的作用。电源的种类繁多,包括直流稳压电源、直流恒流电源、交流稳压电源等。数控电源是近年来不断研究和发展的新方向,它在传统电源的基础上增加了以单片机为基础的数字控制部分,克服了普通电源只能输出恒定电压值的缺点,即它能在其他硬件设备的支持下通过单片机编程来改变电压的输出范围和步进系数。由于具有灵活控制能力、良好的控制性能和强抗干扰能力等优点,使得数控电源成为电源发展的主流。

2 系统总体方案设计

本系统中采用AVR单片机作为开关电源的控制核心,其工作原理是:利用AVR单片机片上集成A/D,不断检测电源的输出电压,根据电源输出电压与设定值之差,输出调整信号给D/A变换器MAX531,通过负反馈直接比例控制输出电压大小。电路主要部分包括整流滤波模块、输出负反馈控制模块、单片机系统模块、LCD液晶显示模块等。

3 系统主电路设计

本系统中,主功率输出芯片采用串联型(Buck)集成开关电源芯片LM2576,它是一种以开关方式工作的直流稳压电源,具有高效率、体积小等特点,广泛用应于电子、通信设备等领域。采用了以AVR Atmega16单片机为核心控制输出电压可调的稳压电源的解决方法。数控电源主电路结构如图1所示。

3.1 系统技术指标

(1)输出电压可调范围 0～24V,调整步进0.1V;

(2)可实时监测输出电压大小要求反馈DA精度在0.01V,并进行负反馈控制,保持输出电压稳定在设定值。

(3)可实时监测输出电流大小,电流超过额定值时报警,并切断主电路供电。

(4)人机界面要简洁、实用、便于操作。可实时显示电压电流相关信息。

(5) PCB设计要满足规范、布局合理、不违反规则。

3.2 设计方案选择

满足以上指标的主电源电路可以选择线性模拟输出或者开关电源输出。

图1 数控电源主电路结构图

图2 LM2576开关电源主电路图

图3 0V起调电压转化电路

采用线性电路,由于功率管时时刻刻都出去导通状态,管子上功耗自然就大。24V 3A输出时输出功率24*3=72W,线性电源效率在0.5以下,故变压器提供总功率在72/0.5=144W以上。大功率变压器价格自然就高,笨重不便于携带,且这对降低成本是不利的。本系统采用开关电源作为主电路,如图2所示。

3.3 数控电源主电路元器件的选取

(1)输入、输出电容CIN、COUT

选择低ESR的铝或钽电容作为旁路电容,防止在输入端出现大的瞬态电压。最终确定选择1000μF。

(2)输出电容COUT

按照手册,输出电容作用与输出滤波并保持电路稳定。从纹波的角度讲电容的值越大、ESR值越小越好。本系统选择耐压值为50V的2200uf电容。

(3)电感L1值的计算及选定

根据LM2576的数据手册给定,根据设计VOUT=0-24V,参考数据手册,选择额定电流值为3A、电感值为150uh的磁芯电感。

(4)续流二极管的选择

参考数据手册选择耐压值为40V的快速恢复型肖特基二极管1N5822.

(5)电压转换电路

设计的0V起调电路如图3所示。

在图中三个运放分别工作在电压跟随器、反相放大状态及反相放大状态。VDA是DA转换芯片MAX531输出的电压,范围是0V-4.096V。VCOUT接电阻分压器,控制电压比例输出。VADJ接LM2576的ADJ端,稳定时应该保持在1.23V。2.5V电压基准是由基准源芯片TL431提供。 三个运放都工作在负反馈的状态下,满足虚短、虚断的近似条件。

3.4 A/D及D/A模块设计

主控制芯片采用AVR系列的ATmega16单片机,最大输出电压为24V,分辨率为0.1V,所以A/D转换器应具有24/0.1=240以上的量化单位,28=256,即最小选择8位A/D转换器。主控制单片机选择了ATmega16,该单片机片上自带10位的A/D转换器,这对于系统设计来说是非常有利的。

D/A输出芯片选择美信公司的MAX531.设计要求调压步进0.1V输出电压为0-24V,因此最小有24/0.1=240个量化等级。选择八位的D/A转换芯片即可以满足设计要求,28=256.但是设计时考虑实现更高的控制精度。所以选择了MAX531.

MAX531输出 0-4.096V,对应的数字量分别为:

二进制0000 0000 0000 - 1111 1111 1111

所以1LSB表示的电压为4.096/4095=0.001V,按照主电源的电压输出6倍的关系,所控制的最小模拟量为0.006v,此值即为本设计的电源精度。

4 系统测试

(1)最大输出电流测试

最大电流测试结果表明:低压段的电流输出值很大,可以达到3.3A以上。高压输出时,电源大电流的性能有所下降。

(2)负载调整率测试

由上表得出结论:该电源的线性调整率较为平稳,在低压和高压输出段都保持着不错的带负载能力,高电压输出时负载调整率略有下降。

(3)其他指标测试

主电源的效率:根据开关电源LM2576的数据手册,该芯片的效率固定为77%。

整板功耗:经测量,空载时整板功耗为3W左右。

5 结论

本系统以AVR单片机为控制核心设计出的小功率数控直流电源,可以克服使用传统PWM方式开关电源硬件复杂、不易控制、纹波较大的缺点。系统根据实际要求,合理选用功率器件。测试结果表明,系统输出工作电压范围、负载调整率、纹波电压等参数符合设计要求。系统具有良好的应用前景。

[1]何希才。稳压电源电路的设计与应用[M]。北京:中国电力出版社,2006:3-4.

[2]蔡宣,龚邵文。高频功率电子学[M]。科学出版社,1993:229-240.

[3]孙慧贤,王群。改进型ZVT-PWM Buck变换器的参数设计与实验[J]。电力自动化设备,2005:66-69.

[4]马潮。AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]。北京:北京航空航天大学出版社,2007,10.

[5]茹东生。零变换PWM变换器仿真研究[J]。电子测量技术,2007, 30(12):25-26,30.

张丽(1981-),女,工学硕士,讲师,通信工程师,重庆工程职业技术学院电气学院教师,研究方向:电子技术及应用、网络通信技术。