宽范围可调稳压电源的设计

宽范围可调稳压电源的设计

王增刚，苏淑靖，贾成伟

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原

030051）

摘要：介绍了一种以单片机为核心的智能化高精度直流稳压电源的设计，通过集成有A/D、

D/A的单片机、三端稳压源、霍尔传感器和上位机组成闭环系统，实现高精度宽范围可调稳

定电压的输出，特别适用于各种有较高精度要求的场合，该电源工作可靠，性能良好，现已成功用于某导弹遥测系统测试设备。关键词：单片机；稳压电源；控制；高精度中图分类号：TN820

文献标志码：A

DesignofWideRangeofAdjustablePowerSupply

WANGZeng-gang，SUShu-jing，JIACheng-wei

（NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China）

Abstract：Thedesignwasintroducedwhichmakesingle－chipmicrocomputerasthecoreoftheintelligenthigh－preci-sionDCpowersupply，thisclosed－loopsystemiscomposedofintegratedA/D，D/Aofthemicrocontroller、three－ter-minalregulatorsource、Hallsensorsandhostcomputer．ithasachievedhigh－precisionwide－rangeadjustablevoltageoutput，thispowersupplyisespeciallysuitableforavarietyofoccasionswhenitmeethighprecision，becausethepowersupplyisreliable，andhasgoodperformance，ithasbeensuccessfullyusedintestequipmentnamedsomemissiletelemetrysystem．

Keywords：single-chip；stablevoltagepowersupply；control；highprecision

电源是电子设备正常工作不可缺少的设备，线性稳压电源由于其纹波小、工作可靠、抗干扰强、被广泛用于工作环境恶劣的电子设备。传统直流稳压电源一般采用电位器手动调节输出电压，很难在较小范围内实现输出电压的调节；另外，随着电源使用时间的增加，电位器的磨损会引起触点接触不良，影响电源输出。

本文设计了一种单片机为核心的智能化直流稳压电源，电源的输出调节是通过上位机软件界面输入的数字量值下发，经单片机转换控制可调稳压

收稿日期：2009-11-27；修订日期：2009-12-29基金项目：国家自然科学基金项目（50535030）

源的调节端电压实现的，同时通过霍尔传感器对输出电压经A/D转换后上传到上位机，与设定值比较而形成闭环控制，实现了对输出电压的精确调节［1］。本电源电压输出0～30V连续可调，电压调节精度可达1，克服以往稳压电源不易调节、电位器机械磨16

2

损引起输出不正确等缺点。

1设计原理

可调稳压电源的原理框图如图1所示。主要由

作者简介：王增刚（1984－），男，在读研究生，主要研究方向为嵌入式电路系统；苏淑靖（1971－），女，副教授，硕士生导师，主

要研究方向为感知与探测、信号处理；贾成伟（1985－），男，在读硕士研究生，主要研究方向为微电路系统。

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Automation＆Instrumentation2010(2)

计算机应用2

2．1

硬件设计

交流输入调理、稳压输出交流输入调理电路主要由

及输出电压、电流采集硬件电路变压器、整流电路、滤波电路3个部分组成。输入的交流220V电压经过降压、整流、滤波和稳压，获得所需的直流电压输出。电源变压器选用单相220VAC输入，32VAC输出，滤波电路中

线性电压产生模块、电压电流采集模块、单片机控制模块和上位机与单片机通信模块组成。线性电压产生模块主要完成对220V、50Hz交流电的变压、整流、滤波和稳压，输出稳定的直流电压。电压、电流采集模块完成对稳压电路输出的工作电压和电流的采集。单片机控制模块将采样的电流电压经A/D转换后上传到上位机，与上位机设定电压值比较，比较不一致则调整后送单片机内部的D/A进行转换，转换后输出的电压值经隔离运放作为稳压电路的调节端电压。同时单片机还对回采电流值与预设电流值比较，判断工作电流是否过流，进而控制继电器的断与闭合，实现稳压电源对外智能安全供电。设计中用

［2］

选用了一个2200μF的大容量电

解电容和一个105pF的抗干扰电容并联使用［3］。

如图2所示，本设计把两片三端可调式线性稳压器LM317并联使用，通过对集成芯片LM317进行电流扩展，使其输出电流可达3A。通用型运算放大器uA714用来平衡两片LM317的输出电流，通过改变LM317调节端的基准电压，即可调节电源输出电压。LM317Ⅰ、LM317Ⅱ的输入端分别串入0．1欧的电流检测电阻R1、R2。当LM317Ⅰ的输出电流IO1增加IO2↑→UR1↑，给uA714的同相输入端加一个信号，使其输出电压降低，维持IO1=IO2。反之，当IO1↑→

IO2↑，就给uA714的反相输入端加一个信号，使U1↑→UO1↑→IO1↑，仍保持IO1=IO2。这样两片LM317的输出电流总维持平衡状态。由于LM317输出电压

的计算公式为UO≈1.25×（1+R6），当R6＝0时，UO＝

到的霍尔传感器的输出电流与被测电流是隔离的，使测量对电源输出的影响很小，提高了电源的性能。通信模块主要是上位机通过RS232接口与单片机通信，设置电源的输出电压值和安全电流值。

R5

1．25V，为了实现电压从0V开始连续调节，R6的下

自动化与仪表2010(2)

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计算机应用端接－1．25V的负电位，该电位可由稳压管D1来提供，D1再经过限流电阻R3接－5V电源，D1亦可用两只硅整流管串联后代替。

图2中，采集电路中的霍尔传感器是按安培定律做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场，使电压、电流的非接触测量成为可能。本电源电压、电流的测量主要由霍尔传感器件HBA05－SP和HV20－P完成。由于适合单片机ADC采样电压值最大为2．5V，所以必须在霍尔器件输出端加合适的电阻产生电压来供A/D采样。霍尔器件HBA05－SP用来测量稳压电源工作输出电流，由于本电源最大输出电流为

3A，而HBA05－SP的匝比为4：1000，可知霍尔传感

器最大输出电流为12mA，供ADC采样高精度电阻

R9上的电压值为0.012×140=1.68V，适合单片机采

集。而霍尔传感器HV20－P则用来测量电源的输出电压，而它的匝比为2000：1000，本电源最大输出电压为30V，可知HV20－P的最大输出电流为30÷（1000×2）＝15mA，高精度电阻R8上的电压为0.015×

120=1.8V，此电压亦可被ADC所采集。由于霍尔传感器经过电－磁－电的绝缘隔离转换，使得测量对稳

压电源的输出电压和电流造成的影响大大减小。

2．2单片机控制电路

本电源通过控制C8051F060单片机的DAC输

出，经隔离放大器，连接到LM317的调节端。单片机把输出电压的回采值和预设电压值进行比较，若有偏差，单片机则自动调节DAC输出，实现电压的精确调节。另外，通过上位机设定电源工作电流的上限值，一旦工作电流超出预定值时，单片机自动控制继电器切断供电，使得稳压电源更加智能化、安全化。该稳压电源还使用了隔离运算放大器件，虽然在一定程度上增加了成本，但是做到了内部电源与输出的完全隔离，实现稳定、高精度的电压输出［4］。

3单片机程序设计

主要由主程序和中断服务程序组成。（1）主程序

主程序主要流程为先初始化，即对寄存器赋初

值，标志位清零，设置通信波特率及控制继电器闭合等。通过对回采电流值与预置值比较，判断其是否过流，如果过流，则单片机控制继电器断停止供电。另外，还将输出电压回采值与预定值进行比较，

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调整DAC输出。对单片机的复位命令，亦可以通过软件来控制，单片机连续接收到的两个相同的十六进制数如0XFF时，系统便进行复位操作，而这个十六进制值的选定，与隔离运放的放大倍数相关，这个值须大于产生满量程电压DAC所对应的数字量值，以避免与产生所需电压的数字量值产生冲突，影响电源输出。主程序流程如图3所示。

（2）串口中断服务程序

如图4所示，串口中断服务程序完成对上位机下发电压调整值和电流预定值数据的判断，并将格式正确的数据进行存储。

附：部分单片机C语言程序……//以下这个函数是AD采集时所用

voidADC0＿Init（void）｛

char

old＿SFRPAGE＝SFRPAGE；

Automation＆Instrumentation2010(2)

计算机应用SFRPAGE＝ADC0＿PAGE；

AMX0SL＝0x00；//bit6＝0；ADC工作在单端方

式

系统测试设备，该设备对外需要提供0～28V可调电压。经过实验测试，在滤波电路中选用的一个

2200μF的大容量电解电容和一个105pF的抗干扰

ADC0CF

电容并联使用，对电源的纹波抑制起到了很大的作用，电路的纹波大约是35mV。设备经常温、高低温和振动实验，电源均能正常输出，最大输出电流可达

＝0x00；//ADC0SAR转换时钟来源

于系统时钟分频（所用系统时钟数＝（bit7－4）＋1）ADC0CN＝0x80；//使能ADC0，跟踪方式为0，每次向ADOBUSY写1时启动ADC0转换

REF0CN＝0x03；

SFRPAGE＝old＿SFRPAGE；

｝

……//继电器控制部分程序

3A。图5为电源的3种不同的电压回采值和电流限

流值设定的上位机显示界面，图中外部28V电源电压由本电源产生。

if（R＿date（0）＝＝0XFF）

｛if（R＿date（1）＝＝0XFF）

｛led＝1；

for（j＝0；j＜5000；j＋＋）；led＝0；

｝｝

……//中断服务函数

voidUART0＿ISR（void）interrupt4｛EA＝0；

date（i）＝SBUF0；i＋＋；if（i＝＝3）

｛

5结语

文中设计的高精度数控电源，由于采用了单片

机与输出双回路闭环控制，输出电压以及电流采集都采用了隔离的方式，减小采样对输出的干扰，达到高稳定度及高精度输出。通过实际使用和测试，本电源具有精度高、量程宽、性能稳定、负载适应性强、操作简便、成本低廉等优点。

参考文献：

［1］潘琢金，施国君．C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用［M］．北

京：北京航空航天大学出版社，2002：109-137.

［2］王韬．数控直流电源的一种实现方法［J］．台州学院学报，2005，27

（6）：39-42.

［3］刘星，顾杰，等．10kV高精度直流高压标准源的研制［J］．航空计

测技术，2001，21（5）：23-26，40.

［4］阮林波，曹锦云，黑东炜，等．基于计算机控制的多路直流高压电

源设计［J］．高电压技术，2003（2）：19-20.

if（data（0）＝＝0XD1anddata（2）＝＝OXD2）｛R＿data（0）＝data（0）；R＿data（1）＝data（1）；R＿data（2）＝data（2）；R＿data（3）＝data（3）；

｝｝

RI0＝0；EA＝1；

｝

4

■■■■■■实际测试结果

本设计的稳压电源主要是应用于某导弹遥测

■

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