基于單片機(jī)的高性能直流穩(wěn)壓電源

0 引言

眾所周知，許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開電，并且在這些實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會對通電時間、電壓高低、電流大小以及動態(tài)指標(biāo)有著特殊的要求，因此，如果實(shí)驗(yàn)電源不僅具有良好的輸出質(zhì)量而且還具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了許多不精確的人為操作，取而代之的是精確的微機(jī)控制，而我們所要做的就是在實(shí)驗(yàn)開始前對一些參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)。這將會給各個領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)研究帶來不同程度的便捷與高效。因此，直流電源今后的發(fā)展目標(biāo)之一就是不僅要在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上力求實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、多功能化與智能化。本文所介紹的就是一個將開關(guān)電源和線性電源有機(jī)地結(jié)合起來，兼具二者優(yōu)點(diǎn)的高性能直流穩(wěn)壓電源。由于在該電源中引入了單片機(jī)控制，故該電源還具有一定的智能化,可實(shí)現(xiàn)定時開、關(guān)機(jī)，定時變壓，顯示輸出電壓、電流，預(yù)置輸出電壓值等功能。

1 電路原理與硬件實(shí)現(xiàn)

該電源主要分為整流、變壓部分，調(diào)壓、穩(wěn)壓部分以及控制部分。具體地說是用開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)整流與初級變壓，用可調(diào)三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓與穩(wěn)壓，而用單片機(jī)控制整個電源的工作。電路原理圖見圖1。交流輸入經(jīng)整流后，送入高頻開關(guān)電路。高頻變壓器輸出端共有6路，其中3路作為輔助電源，另3路作為主功率輸出的前級線圈。為提高輸出電壓精度并減少損耗，主功率輸出采用電壓分檔調(diào)節(jié)的方法，由于輸出電壓為0～30V，故考慮分3檔比較合適。其中Vc為單片機(jī)D/A變換器輸出的電壓值，Vc的變化將直接決定輸出電壓的變化。Vin由開關(guān)電路的輸出端提供，Vin大小的調(diào)整是通過單片機(jī)控制繼電器的開合來實(shí)現(xiàn)不同個數(shù)的開關(guān)電路輸出端的電容的串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)閂in是隨著輸出給定Vc變化的,Vc小Vin也小，Vc大Vin也大，故當(dāng)輸出電壓在0～30V間變化時,三端可調(diào)穩(wěn)壓器的輸入端與輸出端的壓差均不會很大,這樣既保證了精確調(diào)壓,又減少了線性電路部分的損耗。圖中A/D變換器所采集的是輸出電壓、電流的值，這些數(shù)據(jù)可用來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)與輸出顯示。因?yàn)?，該電源中的開關(guān)電路需要有多路輸出，故選用能方便實(shí)現(xiàn)多路輸出的反激式開關(guān)電路，可調(diào)三端穩(wěn)壓器選用最大輸出為3A/33V的LM350，而單片機(jī)選用ATMEL公司的AT89C51。A/D變換器選用ADC0809芯片，D/A變換器選用DAC0832芯片。

圖1電源主電路原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

該電源系統(tǒng)控制界面由16個按鍵和16×2字符點(diǎn)陣式液晶顯示器組成。液晶顯示屏可顯示輸出電壓、電流值，定時值等。這些控制功能都是由一個主程序加若干中斷子程序來實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

開機(jī)后先初始化，將單片機(jī)的各個口復(fù)位,然后從EEPROM中讀取前次關(guān)機(jī)時存入的各項(xiàng)數(shù)據(jù),并按要求輸出。接著單片機(jī)的CPU就開始等待鍵盤輸入所產(chǎn)生的中斷,中斷響應(yīng)后就進(jìn)入相應(yīng)的子程序更新輸出與顯示,接著等待下一次中斷。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該電源實(shí)現(xiàn)的功能如下：

——輸入交流電壓范圍為90～240V時均可正常工作；

——輸出電壓0.0～29.9V可設(shè)定，調(diào)壓精度為0.1V。輸出電流0.0～1.5A；

——人機(jī)界面好，采用鍵盤設(shè)定，液晶顯示，能顯示輸出電壓、電流值和定時時間；

——可定時開機(jī)、關(guān)機(jī)，可定時變壓，定時時間長度最長為99h59min59s；

——具有過流保護(hù)功能，過流值可設(shè)定,并具有三端可調(diào)穩(wěn)壓器本身所具有的過熱保護(hù)功能。

輸出電壓精度的測試結(jié)果見表1，從表1可知，該電源無論是空載、輕載還是滿載輸出電壓的精度均比較高，輸出電壓的誤差0.1V。而輸出電壓紋波的測試結(jié)果見圖3及圖4。從圖中可知，空載時輸出電壓的紋波峰峰值較小，約為20mV左右；滿載時輸出紋波會變大一些，峰峰值約為50mV左右。但總的來說該電源的輸出電壓的紋波較小，輸出特性良好。

圖3 空載時的輸出電壓紋波