摘 要：分析了直流穩(wěn)壓電源的基本構(gòu)成及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，闡述了利用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)線性或開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行技術(shù)改造的基本原理。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源；線性穩(wěn)壓；開關(guān)穩(wěn)壓；單片機(jī)

引言

除采用干電池、蓄電池供電外，各種電子設(shè)備運(yùn)行所需電能，通常都需要整流器將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，然后才可以供各設(shè)備系統(tǒng)使用。但是，一旦交流電源的供給電壓或負(fù)載電流波動(dòng)，會(huì)直接導(dǎo)致整流器的輸出電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而影響各種電子設(shè)備的使用性能，如導(dǎo)致電子計(jì)算機(jī)、精密電子儀表出現(xiàn)計(jì)算測量誤差，引起工業(yè)電子設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線的自動(dòng)控制裝置工作不穩(wěn)等。因此，開發(fā)具有良好輸出功能、可高精度調(diào)控的直流穩(wěn)壓電源，對(duì)保障國防、科研、企業(yè)等領(lǐng)域生產(chǎn)的穩(wěn)定性非常有必要。

1 直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

直流穩(wěn)壓電源的一般結(jié)構(gòu)是將變壓器、整流器、濾波器和直流穩(wěn)壓器依次整合，其中，變壓器將市電交流電壓轉(zhuǎn)換成低壓交流，然后由整流器轉(zhuǎn)變成直流，經(jīng)濾波器和直流穩(wěn)壓器后形成直流穩(wěn)壓輸出。

評(píng)價(jià)一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，需要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試和分析，主要包括：

（1）相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)S：指負(fù)載電流保持不變的情況下，直流穩(wěn)壓電源的輸出直流電壓的相對(duì)變化量與輸入交流電壓的相對(duì)變化量的比值，

小，在工程應(yīng)用中S通常取10-2-10-4。

（2）負(fù)載調(diào)整率Su：指在額定交流輸入電壓下，負(fù)載電流發(fā)生從0到最大值的變化時(shí)，輸出電壓的最大相對(duì)變化量，即S×100%。

（3）輸出電阻R0：對(duì)于穩(wěn)壓電源，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，輸出電壓應(yīng)基本保持恒定，這方面的性能可以用輸出電阻來表示，即R0=?？梢?，R0越小，負(fù)載電流的增大量或減小量，引起的穩(wěn)壓電源來輸出電壓的變化也越小，說明電壓穩(wěn)定性越好。

（4）紋波系數(shù)r：指輸出電壓中交流電壓分量（紋波電壓）占額定輸出電壓的百分比，即r=×100%。r值越小，輸出電壓中的紋波電壓分量越小，通常是幾毫伏，甚至低于1mV。

2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

目前，市場上常用的直流穩(wěn)壓電源，根據(jù)其調(diào)整元件的區(qū)別，主要包括線性穩(wěn)壓和開關(guān)穩(wěn)壓兩種。線性穩(wěn)壓電源是通過調(diào)整等效電阻的控制信號(hào)來獲得穩(wěn)壓輸出，而開關(guān)穩(wěn)壓電源是通過調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

通常，直流穩(wěn)壓電源仍采用串聯(lián)反饋式線性連接方式，需要通過電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整。但是，電位器的阻值是非線性變化，并且調(diào)節(jié)范圍窄，使得穩(wěn)壓電源在輸出特性上難以實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性輸出。然而，將單片機(jī)系統(tǒng)作為直流穩(wěn)壓電源的主控制單元，對(duì)傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出特性的高精度、穩(wěn)定控制，可以實(shí)時(shí)顯示輸出電壓參數(shù)，并且其保護(hù)功能更加完善，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過壓、過流等異常的自動(dòng)保護(hù)。

2.1 基于單片機(jī)的線性穩(wěn)壓電源

為了提高線性穩(wěn)壓電源的輸出精度和穩(wěn)定性，以低能耗、高效率、易編程的16位MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，對(duì)線性穩(wěn)壓電源進(jìn)線技術(shù)改造，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括MSP430F149單片機(jī)系統(tǒng)、串聯(lián)線性穩(wěn)壓控制模塊、電壓電流采樣模塊、保護(hù)裝置和顯示模塊等幾部分。具體如下：（1）該系統(tǒng)中所使用的MSP430F149單片機(jī)系統(tǒng)由TI公司研發(fā)，其指令執(zhí)行速度高達(dá)8MIPS，功耗低，并且系統(tǒng)內(nèi)部帶有PWM輸出模塊、12位A/D轉(zhuǎn)換模塊等穩(wěn)壓模塊。（2）串聯(lián)線性穩(wěn)壓控制模塊中的調(diào)整管由TL431基準(zhǔn)源和兩個(gè)大功率NPN型三極管3DD15D（Q1和Q2）復(fù)合組成，其中Q1和Q2分別提供基極電流和射極電流。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，2個(gè)分壓電阻間的采樣電壓增大，此時(shí)需要TL431輸出低電壓進(jìn)行反相控制，從而降低三極管Q2的基極電壓和Q1的射極電壓，進(jìn)而保證輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，通過上述相反的調(diào)壓過程，保證穩(wěn)定輸出。（3）對(duì)于電壓電流采樣模塊，則可通過MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電壓或電流的采樣，即輸出的電壓經(jīng)采樣電阻后，進(jìn)行濾波和信號(hào)放大，然后直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，從而對(duì)實(shí)際輸出電壓進(jìn)行采樣和分析，采樣速率達(dá)200kbps。（4）LCD顯示模塊采用液晶屏，用于顯示采樣的負(fù)載電壓、負(fù)載電流和額定功率。

2.2 基于單片機(jī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源

以MSP430單片機(jī)作為主控器件的開關(guān)穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括整流濾波電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、電壓采樣電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路和過流保護(hù)電路等。

（1）MSP430主控器件采用MSP430F449單片機(jī)，用于PI調(diào)節(jié)電壓反饋，產(chǎn)生PWM波、設(shè)定基準(zhǔn)電壓及顯示電壓電流，并進(jìn)行過流保護(hù)。（2）DC/DC轉(zhuǎn)換電路：市電交流電壓經(jīng)濾波電路整流后，在輸送到負(fù)載前，需進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換。在DC/DC交換器中采用Buck降壓斬波電路，通過PWM波以一定的占空比重復(fù)導(dǎo)通和切斷PWM開關(guān)組合，這種導(dǎo)通/切斷過程會(huì)對(duì)直流輸入電壓進(jìn)行斬波，形成高頻脈沖方波電壓。當(dāng)PWM開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，二極管關(guān)閉，輸入端電壓對(duì)電感L充電儲(chǔ)能，并傳輸?shù)截?fù)載；當(dāng)PWM開關(guān)切斷時(shí)，電感L感應(yīng)出左負(fù)右正的感應(yīng)電壓，二極管此時(shí)作為續(xù)流器件，形成負(fù)載、二極管和電感組成的回路，釋放電感中儲(chǔ)存的電能，從而維持直流電壓不變。（3）PWM驅(qū)動(dòng)電路：MSP430F449單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波需要驅(qū)動(dòng)電路（圖3）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，才能傳輸?shù)紻C/DC交換器中。為了防止強(qiáng)電側(cè)電壓回流和保護(hù)弱電單片機(jī)，先用開關(guān)光耦對(duì)PWM波進(jìn)行光電隔離，然后經(jīng)三極管到達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的IR2101芯片，經(jīng)芯片5管腳輸出，開始工作。

3 結(jié)束語

以單片機(jī)作為主控單元，對(duì)線性或開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行改造，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的高精準(zhǔn)和高穩(wěn)定控制，對(duì)于具有良好輸出特性的多功能、智能化穩(wěn)壓電源技術(shù)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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作者簡介：李鳳琴（1986-），女，漢族，貴州凱里人，碩士，助教，研究方向：電子技術(shù)。