零水分 一种数控直流稳压电源的设计与制作

稳压电源设计与制作是很多工程师再熟悉不过的日常工作，直流稳压电源作为一种比较常用的电源类型，在最近几年中出现了许多新型产品，技术发展速度明显加快。本文将会为各位工程师分享一种数控直流稳压电源的模块设计与制作过程，方便各位工程师在新产品研发时进行参考。

主控模块

在这种数控直流稳压电源的设计与制作过程中，我们所设计的电源系统运行框图如下图中图1所示。在该稳压电源设计过程中，主控模块我们选择的是AT89S52，这是一个与MCS-51单片机产品兼容，具有低功耗、高性能的8K字节在系统可编程Flash存储器，其显著特点是1000次擦写周期，全静态操作要求为0Hz—33Hz，该模块具有三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

图1 数控直流稳压电源系统设计框图

在这一数控直流稳压电源的主控模块设计中，52单片机的最小系统将会作为主控模块的控制系统，在运行过程中主要负责整个系统的各个信号的采样、处理和分析，以及对各部分电路的调整控制。在运行时，52单片机通过向各个电路发出控制信号从而达到控制的作用，有利于整个电路的整体控制。系统中的52单片机最小系统包括52单片机芯片、复位电路、石英晶振时钟电路。本次设计选取8.00M无源晶振介入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30uf陶瓷电容帮助起振。

图2 单片机最小系统与原理图

正负稳压供电电源模块

在正负稳压供电的电源模块选择上，本方案选择的是L7805CV模块。该种类型的电源模块输入在7.5到24伏并且电流充足的情况下，就可以输出正5V的稳定直流电压，而且在电压降低以后仍然能够稳定的输出正5V的直流电压，使用起来非常方便，且工作稳定性好。除此之外，也可以选择L7905CV，该款模块与7805一样，输入在7.5到24伏并且电流充足的情况下，输出一个负5V的稳定直流电压。

图3 正负电源原理图

上图中，图3是本次所设计的数控直流稳压电源的正负电源工作原理图。在本方案中，我们所设计的直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电压变压器是将电网220V的交流电压变为所需的电压值送入整流电路，整流电路再将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波。滤波电路将脉动的直流电压的纹波滤除后得到平滑的直流电压。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，能维持输出直流电压的稳定。从图3中可以看到，在这一正负电源的运行系统中，整流部分由四个二级管组成，能够有效的将交流电转化成直流电，为整个电路提供最初的直流电;滤波部分是由4个0.1uf电容组成，滤除波纹。此电路稳定输出正负5V直流电压，原理简单易懂，电路简化，焊接方便，输出准确。

可调稳压电源模块

下图中，图4为该数字直流稳压电源设计的系统电源稳压流程图。从图4中可以看到，由于系统需要稳定的直流电源，因此我们需要将电网220V的单相交流电路进行整流、滤波，输出平滑的直流电。

图4 系统电源稳压流程图

图5 单相桥式整流电路极其波形图

为了能够达到最佳的整流滤波效果，在本次的方案设计过程中，我们所选择的是单相桥整流电路。该种整流电路在相同的变压器副边电压下，具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点。在本方案中，单相桥式整流电路的输出电压、电流与输入电压的关系可通过下式计算为为：VL=2×0.45，V2=0.9V2IL=0.9×（VO/RL）。

在使用单向桥整流电路进行整流滤波的设置过程中，当变压器次级交流电压u2为正半周时，即A+B-时，二极管VD1、VD3导通，相对应的二极管VD2、VD4执行截止命令。当电流流过的路径是：从A点出发，经二极管VD1、负载RL，再经VD3回到B点。此时，如果忽略二极管的正向压降，可以认为RL上的电压uL约等于u2。当u2为负半周，即A-B+时，二极管VD2、VD4导通，相对应的二极管VD1、VD3执行截止命令，电流的通路是从B点出发，经VD4、负载RL、V₁回到A点。若忽略二极管的正向压降uL=-u2。从图5中我们可以看出，无论u2的正、负半周如何变换，流经RL的电流方向始终不变，即由C→D。四只二极管中对应桥臂上的两只为一组，两组轮流导通。在负载上，即可得到全波脉冲的直流电压和电流。因为这种整流属于全波整流类型。其波形如图5所示

从图5中我们可以很清晰的看到，在使用了单相整流电路对整个电源的电路系统进行整流后，直流电被转变成为脉动直流电，但是其中仍包含有较多的交流成分。为了保证电源质量，我们需要进一步滤除其中的交流成分，保留直流成分，将脉动变化的直流电变为平滑的直流电称为滤波。在这里我们选择可调节三端正电压稳压器LM317，易于使用，只需要两个外部电阻设置输出电压。此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。

图6 LM317稳压原理图

上图中，图6是可调节三端正电压稳压器LM317的稳压运行原理。在使用LM317进行滤波处理时，稳压电源的输出电压可用下式计算，即V0=1.25*（1+R2/R1）。仅仅从这一公式来看，R1和R2电阻值可以随意设置，然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先，317稳压块的输出电压变化范围是V0=1.25V-37V（高输出电压的317稳压块输出电压变化范围是V0=1.25V-45V），所以R2/R1的比值范围只能是0——28.6V。其次，317稳压块都有一个最小稳定工作电流，最小稳定工作电流一般为1.5mA。当输出电流大于其最小稳定工作电流时，LM317稳压块就可以输出稳定的直流电压。因此，在上图的原理运行基础上，我们需要在317的输出端和调节端加上一个稳压管，用做保护电路，以防止电路中的电容放电时的高压把LM317烧坏。

电压偏置及放大输出模块

在本次的数控直流稳压电源设计与制作过程中，我们所选择的电压偏置及放大输出模块主要是由NE5532集成运放构成。其工作运行原理如下图中图8所示，为使NE5532能够证工作以及满足设计的工作要求，需要-5V供电，另外需要一个+31V以上的供电模块即电压偏置。电压偏置部分选择用LM317的可调稳压电路，使输出电压达到满足要求的+31V以上。我们采用了一个10K的电位器调节317的输出电压，其供电原理图如图7所示。

图7LM317供电原理图

图8 NE5532工作原理图

在完成了供电模块和放大输出模块的选择后，我们可以利用负反馈的原理，调节反馈电阻用以调节放大倍数。通过调节图8中RP1和RP2的阻值，负反馈可以提高电路放大倍数的稳定性、减小非线性失真和抑制干扰、展宽频带改变输入输出电阻。利用公式：放大倍数A=1/F（反馈系数）计算放大倍数，经过手动的调节后，RP1为2.6K，RP2为3.8K，此时放大倍数为6倍，即输入0到+5V时，可以输出0到+30V的稳定直流电压。

在放大输出模块进行运放工作时，有个非常重要的问题需要工程师注意，那就是运放的零漂。正常情况下，NE5532在输入0V时，输出不是0V而是1.25V，所以需要人为的在输入端加上一个-1.25V的负压，经过调节才能使运放在输入0时，输出尽量的接近零，最大限度的减少误差。此电路经过上述模块的共同作用下，最终即可输出0到30V以上稳定直流电压。

数据采集与处理模块

在这一数控直流稳压电源设计与制作的过程中，数据采集模块由A/D，D/A组成，因此在本方案中，我们选择使用TLC549、TLC5615的组合做为数据采集与处理模块的主要构成器件。在这一数据采集与处理系统中，当片选CS为低电平时，串行输入数据才能被移入16位移位寄存器。当片选CS为低电平时，在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位移寄存器。在这里需要注意的一个问题是，二进制最高有效位被导前移入。接着，片选CS的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器，供DAC电路进行转换；当片选CS为高电平时，串行输入数据不能被移入16位移位寄存器。

图9 TLC5615工作原理图

图10 TLC549工作原理图

上图中，图9为TLC5615工作原理图，图10为TLC549工作原理图。从上图中我们可以看到，TLC549和TLC5615均有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路A/D并用时的I/O控制端口。