简易数控直流稳压电源设计

1 引言

随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与通信设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A 转换电路、直流稳压电路等几部分，直流稳压电源是最常用的仪器设备。

2 简易数控直流稳压电源设计

2.1 设计任务和要求

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3~15V，纹波小于10mV

2．输出电流为止500m A.

3．稳压系数小于0.2。

4．直流电源内阻小于0.5Ω。

5．输出直流电压能步进调节，步进值为1V。

6．由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增的减。

2.2 设计方案

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、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变换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1V的步进值增或减。

图1简易数控直流稳压电源框图

2.3 电路设计

2.3.1 整流、滤波电路设计

首先确定整流电路结构为桥式电路；滤波选用电容滤波。电路如图2所示。

图2 整流滤波电路

电路的输出电压U I 应满足下式：U ≥U omax +（U I -U O ）min+△U I

式中，U omax 为稳压电源输出最大值；（U I -U O ）min 为集成稳压器输入输出最小电压差；U RIP 为滤波器输出电压的纹波电压值（一般取U O 、（U I -U O ）min 之和的确良10%）；△U I 为电网波动引起的输入电压的变化（一般取U O 、（U I -U O ）min 、U RIP 之和的10%）。

对于集成三端稳压器，当（U I -U O ）min=2~10V 时，具有较好的稳压特性。故滤波器输出电压值：U I ≥15+3+1.8+1.98≥22(V),取UI=22V.根据UI 可确定变压器次级电压 U 2。 U 2=U I / 1.1～1.2≈(20V)

在桥式整流电路中，变压器，变压器次级电流与滤波器输出 电流的关系为：Ｉ2=(1.5～2)I I ≈(1.5～2)I O =1.5×0.5=0.75(A).取变压器的效率η＝0.8,则变压器的容量为

P=U 2I 2/η=20×0.75/0.8=18.75(W) 选择容量为20W 的变压器。

因为流过桥式电路中每只整流三极管的电流为

I D =1∕2I max =1/2I Omax =1/2×0.5=0.25(A) 每只整流二极管承受的最大反向电压为

)(31%)101(202max 2V U U RM ≈+⨯⨯==

选用三极管IN4001，其参数为：I D =1A ，U RM =100V 。可见能满足要求。 一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数R L C 是其充电周期的确2～5倍。对于桥式整流电路，滤波电容C 的充电周期等于交流周期的一半，即

R

L

C≥（2～5）T/2=2～5/2f,

由于ω＝2πf,故ωR

L C≥(2～5)π,取ωR

L

C＝3π则 C=3π/ωR

L

其中R

L =U

I

/I

I

，所以滤波电容容量为C＝3πI

I

/2πfU

I

＝(3π×0.5)/ 2π

×50×22＝0.681×103(μF)

取C=1000µF。电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小时的情况。

U Cmax =1.1×2U

2max

=1.1×2×20≈31.1(V)

综合考虑波电容可选择C=1000µF，50V的电解电容。另外为了滤除高频干扰和改善电源的动态特性，一般在滤波电容两端并联一个0.01～0.1µF的高频瓷片电容。

2.3.2 D/A变换器

D/A变换器设计若要使UIN步进变化，则需要一数模转换器完成。电路如图4所示。

图4 D/A 转换器电路

该电路的输入信号接四位二进制计数器的输出端，设计数器输出高电

平为U

H ≈+5V，输出低电平U

L

≈0V。则输出电压表达式为

U o1=-R

f

〔U

H

/8R·D

+U

H

/4R·D

1

+U

H

/2R·D

2

+U

H

/R·D

3

〕

=-R

f U

H

/23R〔23D

3

+22D

2

+21D

1

+20D

〕

设U

o2=-U

o1

(U

IN

).当D

3

D

2

D

1

D

(Q

3

Q

2

Q

1

Q

)=1111时,要求U

IN

=12V，即：

12=R

f U

H

/23R×15

当U

H =5V时，R

f

=1.28R.取R=20KΩ,R

f

由 20KΩ电阻和电阻3.5KΩ电位