基于单片机的高压线性电源设计
2020-08-10王春会陈国明王金圆
王春会，陈国明，王金圆
(朝阳师范高等专科学校 信息工程系，辽宁朝阳122000)
0 引言
广大科研人员在进行电子产品的研发时，为了实验数据的准确性，防止电源带来的干扰，都倾向于使用高压线性电源供电，但是高压线性电源由于自身的缺点需要使用人员在使用中极为小心，防止发生过流、短路等情况发生.能否在线性电源中加入保护电路，使之能维持现有优点，同时克服其自身的缺点，已经成为现阶段电源生产厂家必须考虑的难题.本文利用单片机功耗小、电路简单、设计方便、反应迅速等优点，将单片机运用到高压线性电源中，随时监测负载电流，最终实现对电源的有效保护.
1 高压线性电源构成框图及稳压原理
高压线性电源整体构成框图如图1所示，首先将市电转变为较低的交流电压，整流滤波后，得到非稳定的直流电压，再利用工作于线性状态的调整管，根据大环路反馈返回来的代表输出电压的取样电压与基准电压相比较得到的误差电压调整自身的导通程度，稳定输出电压.保护电路随时监测电源工作状态，对电路进行保护.
整机原理图如图2所示，稳压原理如下：变压器B1将市电转变为两路低压交流电，一路经D3整流、C8滤波为主输出电路供电，该路输出电压大于设计最高输出电压2 V，输出电流大于额定输出电流，另一路经D1整流、C1C2滤波再经U1稳压得到稳定的12 V电压为控制电路供电，同时经过U5稳压，得到稳定的5 V电压为单片机供电(注：两路辅助供电的负极接主电路输出正极).
Q2为输出调整管，改变自身导通程度，输出电压随之改变.电源上电后，控制电路得电进入工作状态，R1、D2形成5 V基准电压，一方面经R3、R7分压得到过流保护的基准电压，提供给运放LM358的一个运放的反相端6脚，与检流电阻R13上取出的代表整机输出电流的送至同相端5脚的电压相比较，比较结果由7脚输出，通过图中参数可以计算得出输出最大电流与R7的关系为：
R7=10*I0/(100-I)
另一方面经过R4、R8分压，作为输出电压基准送至运放LM358的另一个运放的反相端2脚，与R5、R9、RADJ分压得到的送至同相端3脚的电压相比较，比较结果由1脚输出，控制调整管Q1的导通程度，进而稳定输出电压，按照图中参数可以得出输出电压和RADJ的关系为：
RADJ=2.04UO
调节RADJ即可实现电源从0 V连续调至最高电压(低于输入电压2 V).
当输出电流过流时，检流电阻上的电压使运放LM358同相端5脚的电压高于反相端6脚的电压，7脚输出高电平经过D5、R6使Q1导通，调整管Q2的G极电压降低，导通程度减弱，输出电压变小，电流下降，从而使输出电流稳定在设计值.
这部分电路与其他成品线性电源电路核心原理基本一致，都是让调整管工作于线性状态来达到稳压的目的.电路设计完成后让单片机不工作，在正常电流范围内，输出电压连续可调，使用无问题，各项指标满足设计要求.但是，在高电压输入、较低电压输出的状态下过流时，很短时间内调整管严重发热，甚至击穿损坏，如果短路，仅几十秒时间调整管便由于超功率击穿损坏，这与其他线性电源在使用中遇到的问题相同.本设计的创新点在于将辅助供电叠加在输出电路之上，从而实现电源从0 V起调.
2 高压线性电源保护电路设计
2.1 保护电路构成及工作原理
图3所示电路中，保护电路就是基于主电路的上述缺点而引入的.为了减小电源体积，节省成本，本设计采用的单片机为STC15F104W[1]，是STC51系列单片机的一种，STC的8脚单片机有直插和SOP两种形式的封装，其中有6个I/O口，剩下2个是VCC和GND ，不需要带晶振，内部自带有时钟发生电路[2].这6个I/O口实际上是普通51单片机上的P3口，除P3.1外，其他引脚均有复用功能,分别是5个外部中断，3个时钟输出，1个复位输入[3].芯片不需要复位电路，上电自复位，也可以通过软件来选择引脚作为复位脚.同时该种单片机内都有4k的EEPROM[4].
单片机随时监测电源输出电流.无过流现象时，单片机无输出，对整机无影响；一旦有过流现象(LM358输出高电平)，数秒后(根据客户要求设定或根据负载的性质设定)单片机输出脉冲电压，经过U7(SN74LVC2G14DC)反相后使Q3工作于开关状态，进而控制调整管Q2工作于间歇状态，一旦过流故障解除，电源恢复正常输出.
电流搭接完成经过实验与设计思路完全吻合，负载为容性或感性时，均没有出现问题，长时间过流和短路，电源均无损坏，保护电路完全可以对电源起到保护作用.
2.2 软件设计
根据预想思路，设计流程图如图4所示.
根据流程图，采用C语言编译源程序如下：
#include
"reg51.h"#include
"intrins.h"#define
MAIN_Fosc 22118400L //定义主时钟typedef
unsigned char u8;typedef
unsigned int u16;typedef
unsigned long u32;sbit OUT = P3^5;
// 延时关断sbit IN = P3^4;
// 检测过流
/************* 本地变量声明 **************/
u8 b;
u8 c;
u8 e;
u16 f;
void delay(u16);
//1S延时void main(void)
{
IN = 1;
OUT = 1;
//加反相器了 b = 0;
while(1)
{
if(IN == 0)
{
if((IN == 0)&&(b == 0))
{
delay(2000);
//延时1s 恒流 b = 1;
}
OUT = 0;
//加反相器了 delay(500);
OUT = 1;
delay(30);
//导通时间长，短路时功耗大 }
if(IN == 1)
//恢复时，b置0 {
b = 0;
}
}
}
void delay(u16 xms)
//延时1s{
u16 i,j;
for(i=xms;i>0;i--)
//i=xms即延时约xms毫秒：根据客户要求改动 for(j=1100;j>0;j--);
}
3 产品特性测试
拉偏测试:调节输入电压,输出电压调至24 V,带5 A负载,测试结果如表1所示.短路测试:在输入220 V输出7V情况下，将输出短路，测得输出电压波形如图5～图8所示.
表1 拉偏测试参数输入电压/V输出电压/V输出电流/A纹波/mV17624.0052.0022024.0151.89 24224.0251.68
经过连续2 h短路，电源几乎无温升，未见其他异常.
4 结语
经过实际使用证明，加入单片机控制的线性电源可以随时监测整机输出电流，一旦出现过流，为了确保能带感性或容性负载，克服其浪涌电流，单片机控制电源以最大电流输出1～3 s(根据客户要求或负载改动)，感性或容性负载如能在该时间内启动，电流恢复正常，则电源也恢复正常工作，反之，电源进入脉动输出状态.与此同时随时监测负载电流是否恢复正常，当输出电流恢复至额定电流以下时，电源又开始正常工作.成品电源经测试、老化、实用均未出现普通线性电源可能出现的问题.交付使用后，客户反映相较于原来使用的电源，电源性能完全满足设计要求，带感性和容性负载也不会出现一般线性电源的“打嗝”现象，长时间过流和短路电源无温升，整机功耗很小.
