简易数控直流电压源(1)

1.题目：简易数控直流电压源

2.原理：

2.1 系统框图及说明

本系统由单片机输出经数模转换后得到错误!未找到引用源。=0～4.095V的电压控制信号，此电压信号经LM358集成运放放大为0～10V后作为开关电源PWM电路的基准信号。改变单片机输出信号，使错误!未找到引用源。在0～30V之间变化（错误!未找到引用源。）。PWM电路是由TL494组及一些外围器件组成，它由2脚输入基准信号，其最终电压输出将随基准电压同步变化，从而达到输出电压由单片机控制的目的。此外电路中还用采样电路将输出电压值通过模数转换返回到单片机，电压预设值和实际输出值都会通过液晶12864显示出来。键盘采用4*4矩阵键盘，设置了0到9十个数字。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.2系统的硬件设计

2.2.1 开关稳压电源原理

电路可以直接从电网整流供电，其自身功耗小、体积小、重量轻，适用于大功率且负载固定的场合。开关控制方式采用PWM，基准电压电路输出稳定的电压，取样电压与基准电压之差经放大器放大后，作为电压比较器的阈值电压，三角波发生电路的输出电压与之相比得到控制信号，控制开关管的工作状态。此电路中开关管工作在非线性区，当PWM控制信号为高电平时，开关管饱和导通，续流二极管D因承受反压而截止，整流滤波后的电压直接通过蓄能电感作用在后级电路，此时电感L存储能量，电容C充电。当开关管截止时，蓄能电感放电起续流作用，与此同时C放电，负载电流方向不变。当电压降低到设定值时通过与基准比较后把差值放大与494内部锯齿波比较，当锯齿波幅比差值信号大时开关管开通，如此循环。开关电源通过改变PWM占空比来使输出电压稳定。电路原理图如图2所示。

图2 开关稳压电源原理图

2.2.2 PWM 控制电路

本电路由核心芯片TL494作控制的单端PWM 降压型开关稳压电路。TL494内部结构如图3所示，它是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能。内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

T

T C R f *1

.1

TL494输出脉冲的宽度是通过电容C T 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1 和Q2 受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。通过调整死区比较器输入端的电压（0—3.3V ）可改变脉冲的输出占空比。

图3 TL494内部结构图

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V 变化到3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。两个误差放大器具有从-0.3V 到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”

运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。将Q1 和Q2 并联使用，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳态触发器，使输出的脉冲频率等于振荡器的频率。 2.2.3 开关电源主电路

如图4所示，U1为LM317三端可调稳压器，它的输出电压为固定值36V ，为芯片TL494提供工作电压，同时也为产生基准信号的运算放大器LM358提供工作电压30V

图4 开关可调电压源主体电路

（1）整流滤波电路

采用可承受大电流和耐高压冲击的BR104的桥堆进行桥式整流，整流后经电容滤波输出，电容采用63v/10000uF 的电解电容。整流滤波后v =1.2×40v=48v 。 （2）调整管的选择及参数计算

11脚和8脚

图5 复合管构成开关管

如图5所示。这里选用三极管2SC3320和场效应管IRFP9240组成复合管来做为开关管。I 。=3A ，则要求Ice>3A ，设推动管Q 1的 β=3，则I B =β0I ≈1.0A ，而TL494内部驱动管最

大电流为500mA （并联后），因此考虑用一个大功率高频开关场效应管与其复合。Q 2的VGS （th ）=－10v ，IDS=－12A ，R 4为Q2的偏置电阻，R 6为限流电阻。令R6=150Ω，则算得R4=47Ω。所以，此时对于R4上的功率:

P1=4

2

4R U R ≈2.8w

R 6上的功率: P2≈6

26

R U R ≈10.0w

又最大占空比η为9400，所以R4采用p '1>1p η=2.5W ，R 6采用p 2'

>2p η=9.4W 的电阻。在恒定频率的PWM 通断中，控制开关管通断状态的控制信号由TL494的11脚和8脚输出。 (3) 储能电感和回路二极管

储能电感用可承受大电流的铁氧体高频环型电感；回路二极管要用大功率硝特基高频二极管。注意问题：Q1、Q2开关管和回路二极管都应加装散热片。纹波抑制方面：在稳压电源输出端并上大电容（10000uF ）,经过实测，在大功率输出时纹波得到了有效的抑制。在续流二极管两端并联一个电容C6和一个电阻R9可抑制电源关断时所产生的尖峰电压。 3.2.4 同相比例放大组成的基准电压信号电路

图6所示LM358为集成运放，由它组成同相比例运算电路，放大关系式如下：

I f U R

）（R 1U 0+

=

图中R14等于1K 欧姆，R13为电位器，在这里将其调到5.1K 欧姆。由LTC1456数模转换输出电压为0～4.095V ，经同相比例运算电路放大2.44倍。LM358输出信号为0～10V 可调。把此基准信号Ui 接入TL494的2号管脚，实现对错误!未找到引用源。的控制。

接

图6 数控0~30V 可调信号Ui 电路

2.25键盘接口电路

采用常见单路复位开关，做成4*4矩阵键盘，用动态扫描方式读取外部按键动作，这样设计可靠，配合AT89S52单片机，可以很轻松的实现按键输入 。键盘电路图：