一种直流稳定电源设计

（广西广播电视技术中心桂林分中心）

一、系统设计要求

（一）系统基本功能

输出电压范围为+9V～+12V；最大输出电流1.5A；电压调整率≤0.2%；负载调整率≤1%；纹波电压≤50mV；具有过流及短路保护功能。

（二）总体方案

系统由供电电路、稳压电路、D/A与A/D控制电路、单片机显示部分组成，系统总框图如图1所示。供电部分经过220V/18V变压，之后再整流滤波。选择整流桥时重点考虑整流二极管的最大反向耐压值和所能承受的最大电流值。从滤波角度看，大电容固然会对输出电压的稳定性有很大帮助，但同时也要看电源所带的负载的大小，负载重的就要选择大一点的电容，相反，就要选小一点的电容，以电压下降的程度能容忍就行；稳压电路中，调整管采用大功率晶体管，在实现稳压作用的同时又可以实现扩流作用，以便增加电源的带负载能力；在D/A与A/D控制电路部分，因为D/A有电压、电流两路预设值控制，故而该采用具有两路输出以上的DAC，同理，在A/D转换中，也具有两路以上的模拟输入的ADC，电路精简明了，程序控制部分简单，还有DAC和ADC的位数应合适，有利于提高步进精度值。单片机显示部分中，单片机采用的是51系列的单片机，显示部分可采用液晶显示。

二、具体硬件电路介绍

（一）晶体管串联反馈式直流稳压电路

图1 系统总框图

设计方案的一般结构原理框图如图2所示，Vi是整流滤波电路的输出电压，T是调整管，A为比较放大电路，Vref是基准电压，它由稳压管Dz和限流电阻R构成的简单稳压电路而获得。R1、Rp、R2组成反馈网络，用作取样环节。

图2 晶体管串联反馈式直流稳压原理图

此方案中取样电路将输出电压Vo取样后得到取样电压，之后取样电压与基准电压进行比较得出误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而改变输出电压，而该变化与由于输入电压Vi变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Vo的稳定(稳压值)。此方案思路比较简单明了，易于接受，灵活性高，且它是直接对调整管进行调整，选择的调整管合适，带负载能力比较强。

图3 基于D/A控制且经过放大的稳压可调方案

图4 供电部分电路

（二）数控可调方法的实现

D/A转换芯片TLV5616是12位电压输出数模转换器，它有四个控制端，1脚是串行数据输入，2脚是串行数据时钟输入，3脚是芯片选择（低电平有效），4脚是帧同步。为了满足设计所要求的9～12V的输出电压，还得将D/A输出的模拟电压放大之后才送到LM317的反馈端，这里用的是NE5532进行放大，NE5532是一种高性能低噪声双运算放大器集成电路，它比很多准运放具有更好的噪声性能，输出驱动能力优良以及小信号带宽相当高，电源输入电压范围相当大，应用起来比较方便。正因为NE5532中有两路放大作用，所以此处可用其中一路作为电压跟随作用，以便实现输出电压会更稳定一点。基于D/A控制且经过放大的稳压可调方案如图3所示。

（三）供电部分电路设计

图5 稳压部分电路

直流电源是能量转换电路，将220V的交流电转换成直流电。其一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，220V市电经220V/18V变压器变压后得到18V交流电压，之后经过6A/100V的整流桥进行全波桥式整流后得到直流电压，再经过滤波电容（4700uF/50V）减小电压脉动，此处选择使用呈阶梯状的电容排列分布进行滤波，这样有助于电压输出的平缓，得到的电压较稳定。经电容滤波输出后的电压（25V左右），就可做为后期电路所需要的一部分供电电压，这时的电压应作为稳压电路中调整管的输入电压。此外，在此还需要进行辅助电源的设计，用低压差线性稳器件将电压降到所需要的电压轨，本次设计中要用到的辅助电源是+18V、+5V以及-5V的，+5V电压可由单片机部分来提供，+18V电源可由线性稳压器件7815来得到，-5V电源由线性稳压器件7905来得到。供电部分电路如图4所示。

（四）稳压部分电路设计

如图5所示，经过变压整流之后得到25V左右的直流脉动电压，再经过电容滤波，减小电压脉动，此时的电压作为调整管TIP122的输入电压，TIP122是一种大功率达林顿三极管，CE间承受电压为100V，功耗为65W，它的集电极最大连续电流可达到5A，在TIP122的基极与集电极之间连接一个2.2K的电阻，以提供给TIP122一个合适的直流偏置，以便它能够正常工作，二极管D1、D2起到电压补偿作用。DAV与DAI分别代表设定的DA电压值与DA电流值，它们与采样回来的值进行比较，得到误差电压再放大去调整TIP122的C-E极间的电压，达到一个动态平衡，以得到稳定的输出电压与输出电流。当DAV处的值为2V、DAI处的值为2V，输出电压可达10V，输出电流可达2A。运放芯片为ADOP07，电压采样是用电阻分压（5:1）来得到，采样回来的电压在送到A/D转换的同时送回D/A比较处。电流采样用的是误差为0.01%的0.1欧2A的军工电阻，采样回电压值，经运放放大后送到A/D进行转换，同时也同样送回D/A比较处进行校正调整。进行电流采样时最好用的是仪用放大器来进行放大，因为仪用放大器本身带有电压跟随器作用，采得的电压会稳定一点。

（五）D/A与A/D控制及按键部分电路设计

数模转换采用的是双通道的低功耗12位DAC转换器TLV5618，以便达到所需要的精度，而且能同时给DAV与DAI设置模拟值。TLV5618有三个控制端，1脚为串行数据输入端，2脚为数字串行时钟输入，3脚为片选。其输出模拟电压计算公式为：V=2*Vref*(dignum/0x1000) 注:dignum后四位为:0x0000-0x0fff。TLV5618的参 考电压Vref为0-3.5V，本次设计中采用的是2.5V，故采用线性稳压芯片TL431来产生稳定的2.5V直流电压。在选择DAC的时候，主要考虑D/A的每个步进控制输出的电压增量，以提高精度。A/D转换部分采用12位分辨率、双通道A/D转换芯片MCP3202，其具有体积小，兼容性，性价比高，且具有双通道的特点。按键控制也放在本部分电路中一个为电压“增+”，一个为电压“减-”控制，直接连接到单片机。

三、系统软件设计

（一）本设计的系统软件指的是单片机AT89S52上运行的程序。系统软件主要包括按键的扫描、D/A的预设值控制写入、采样时A/D的转换以及电压电流采样时的处理、LCD1602的显示控制，难点在于采样值与D/A的预设值的比较，需要做到循环控制。

表1 空载条件下所测的电压变化范围（单位：V）

（二）系统软件主流程

系统软件主流程图如图6，软件主流程主要包括以下工作：

1.系统初始化：对单片机系统进行配置、初始化变量和全局参数、对单片机系统外围模块进行初始化、对LCD1602液晶屏复位并显示初始值等；

2.按键扫描：当单片机响应按键后，读取按键值，然后判断并对按键产生响应；

3.D/A值的步进控制：根据对按键的扫描，单片机做出判断并响应，是否进行步进的增减；

4.LCD1602的液晶显示：经过采样回来的电压值，经过处理显示出当前的输出电压以及输出电流。

图6 软件系统流程图

四、数据整理及最终分析

在输入电压220V、50Hz，电压变化范围＋15%～－20%条件下，得出数据如下：

（一）输出电压可调范围为+9.03V～+12.01V（空载条件下），步进电压为70mV，其中所测的电压变化如表1所示。

（二）最大输出电流为1.5A（在输出电压为12.01V，负载为8欧时）。

（三）电压调整率与负载调整率测试，当空载时输出电压为12.01V，然后再带上8欧的负载，达到最大输出电流1.5A，此时再测输出电压为11.98V，当调整负载时（增加到20欧左右），此时再测输出电压为11.68V。

可见，电压调整率与负载调整率良好，加上负载后或负载变动时，输出电压变化还是较小，足够稳定，效率达到38%左右，纹波控制在50mV以内。

五、结论

本数控稳压电源的设计主要是根据晶体管串联反馈式稳压电路的原理来完成的，其中，其基本原理主要包括基准源、采样、比较放大、调整管四大部分，基于DAC控制基础之上来实现数控功能的，其间通过采样回来的输出值与DAC的设置值相比较来控制调整管。采样时还使用了误差为0.01%的0.1欧2A的军工电阻，配合程序控制，使数控稳压电源的基本参数满足了设计要求，为日后在台站中使用提供了参考。