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直流稳定电源
A题直流稳定电源
(本科组)
电子设计大赛报告
摘要
本设计以STM32单片机为核心,将220v市电降压整流得到直流电压,结合稳压电源电路、稳流电源电路、DC-DC变换电路三大部分构成整个系统。
电压可调范围1.25-20V,恒流范围2-25mA,DC-DC变化可达150V/120mA。
该系统具有数字显示,过流、过热、短路保护,参数优良的特点。
关键词:
STM32单片机、稳压、稳流、DC-DC变换
系统特色:
1.稳压电源可调范围宽,负载调整率低,电压调整率低,并具有过流、过热、短路保护和软启动防过冲等功能。
2.降压变压器采用了多绕组选择方式,降低了串联稳压电源的压差,解决了线性电源效率低、发热量大的缺点。
并采用STM32单片机开发板作为人机交换界面,直观、方便、美观。
3.DC-DC变换电路采用单端反激电路,具有效率高,体积小的特点,结合CLC滤波电路有效控制了纹波。
4.采用STM32单片机开发板作为人机交换界面,直观、方便、美观。
结合16位的ADC芯片ADS1115采集电压电流,精度高。
1.总体方案设计
整个方案设计合理,我们用变压器将市电220v降压到我们需要的电压范围,经过绕组切换电路,降低输入输出端压差,经过整流滤波电路给稳压电源提供电源,稳压电源为稳流电路和DC-DC变换电路提供电源。
通过电压电流的采集,在LCD显示屏上显示电压、电流、功率和继电器状态。
过流/短路保护电路为整个电路提供安全保障。
总体设计框架:
如图1.1所示。
图1.1总体设计框架
2.方案论证
2.1稳压电源模块
方案一:
使用78系列稳压芯片,电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。
这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子和普通的三极管相似,TO-220的标准封装,也有TO-92封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来方便可靠,价格便宜。
在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率的条件下不用)。
当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏。
此外,还应注意,散热片总是和最低电位的第③脚相连。
这样在78系列中,散热片和地相连接,而在79系列中,散热片却和输入端相连接。
缺点是它是串联分压稳压,功耗大,发热量大,效率比较低。
方案二:
使用LM317,输出电压:
1.25-37VDC;输出电流:
5mA-1.5A;芯片内部具有过热、过流、短路保护电路;最大输入-输出电压差:
40VDC,最小输入-输出电压差:
3VDC;使用环境温度:
-10-+85℃。
LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一,它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式,又具备输出电压可调的特点。
此外,它的调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。
方案三:
LT1083是凌利尔特公司生产的大功率线性三端稳压集成电路,采用TO-3P封装,输出电流高达7A。
它能够在低至1V的压差条件下运行,压降能够在最大电流条件下保证在1.5V内,且负载电流减小时允许压差同时减小;可在多种电流水平条件下通过片内修正电路,提供所保证的最小压差,并能够使输出电压准确度调节至1%。
其电压调整率为0.015%,负载调整率为0.01%,具有热功耗限制保护。
本设计选择用方案三,LT1083制作的稳压电源板,带过热过流保护功能。
采用软启动接法,加一级LC滤波,性能提升很大。
该芯片可以达到最大7.5A的电流,我们这里设计2.5A,完全没有问题。
2.2稳流电源模块
方案一:
利用运放构成深反馈电路,可以有效抑制外接干扰,使得恒流电源工作稳定性增强。
方案二:
利用LM317集成基准电压源,其3端与1端之间固定降压为1.25v,流经固定电阻后产生恒流的电流。
方案三:
利用TL431电压基准和LM358运放构成深反馈电路,TL431高精度可调稳压基准提供一个完美的参考电压,结合运放构成的深反馈可以得到性能十分优良的可调恒流源。
鉴于各方面考虑,方案一输出电流受运放性能限制,方案二受温度影响较大。
本设计选择方案三,可以完美的达到性能指标。
2.3DC-DC变换模块
方案一:
boost型DC-DC升压器。
这种方法容易实现,但是输入输出电压比太大,占空比大,输出电压范围小,难以达到较高的指标。
方案二:
带变压器的开关电源。
由于使用变压器,开关管占空比合适,可做到输出电压范围宽。
方案三:
采用单端反激开关电源。
开关电源常用于将220v交流高压变换成直流低压,这里则是将低压变换成高压,从理论上讲也是可以实现的,但是电路需作相应的变化。
此次选用方案三,单端反激式开关电源具有体积小,效率高的特点,特别适用于小功率场合,对于这次的要求,选用方案三是在合适不过的。
3.总体设计
总体电路可由六大模块构成:
1.绕组切换与整流滤波模块;
2.过流保护模块;
3.稳压电源模块;
4.稳流电源模块;
5.电压电流采集与显示模块;
6.DC-DC变换模块。
3.1硬件电路设计:
3.1.1绕组切换与整流滤波模块电路:
选用绕组切换电路来切换变压的不同绕组,可以降低三段稳压器输入输出两端的压差,降低发热量,提高效率。
其具体电路图如图3.1.1所示。
图3.1.1绕组切换电路
3.1.2过流、短路保护模块电路:
过流保护通过单片机的电流采集电路来判断电路是否过流或者短路,并利用软件控制手段实现高可靠的自恢复功能,能在故障排除后自动恢复电路。
采用继电器作为开关器件,控制电路的通断来实现保护。
其电路图如图
图3.1.2继电器模块电路
3.1.3稳压电源模块电路:
采用了LT1083三端可调稳压芯片作为主芯片,如图3.1.3所示。
配合软启动电路,可以实现上电防过冲的特点。
软启动电路由C8、Q2、R1构成,刚上电时由于电容的充电过程使得电压慢慢上涨,实现了软启动的功
能。
图3.1.3稳压电源电路
3.1.4稳流电源模块电路:
稳流电源采用运算放大器和TL431高精度可调基准源做深反馈式恒流源电路,性能优良。
其电路图如图3.1.4所示。
图3.1.4稳流电源电路
3.1.5电压电流采集电路:
电压采集采用分压电阻取样,利用运放做电压跟随器,匹配阻抗,可以很精准的测量电压电流值。
电流采样部分采用TI公司的INA282电流分监器芯片,具有50倍的固定增益,稳定可靠,配合康铜丝电阻,可以很精确的得到电流的具体数值。
其电路图如图3.1.5所示。
图3.1.5电压电流采集电路
3.1.6DC-DC变换模块:
DC-DC变换模块部分我们使用UC3843芯片作为核心控制器件,具备稳压和过流保护功能,调整率低,工作电压低的特点。
其电路如下图3.1.6所示。
图3.1.6DC-DC变换电路
3.2软件设计:
软件的整体流程如图3.2.1所示。
当系统通电时,首先初始化各个模块,然后采集电压电流信号,并显示。
与此同时,判断是否短路或者过流,如果有短路或者过流,则驱动继电器断开电路。
3S后执行重合闸操作。
图3.2.1软件流程图
4.系统测试及数据分析
4.1测试方法
(1)用数字万用变测试电压和电流值。
(2)利用EXCEL表格记录数据。
(3)用10Ω大功率水泥电阻对稳压电源进行性能指标测试。
4.2测试仪器
(1)普源TDS1002100M数字示波器;
(2)数字万用表;
(3)10Ω大功率水泥电阻;
4.3测试数据
稳压电源性能指标测试:
测试条件:
10Ω水泥电阻作为负载。
具体数据见表5-3-1所示。
表5-3-1稳压电源测试数据
空载电压(V)
带载电压(V)
电流(A)
负载调整率
5.55
5.55
0.53
0.000%
10.98
10.95
1.04
0.273%
12.41
12.39
1.19
0.161%
15.63
15.6
1.5
0.192%
17.79
17.75
1.72
0.225%
电压可调范围:
1.25V-18.5V;
纹波(空载):
980uV;
纹波(1.5A满载):
1.65mV;
稳流电路指标测试:
测试条件:
12V供电的条件下,负载端分别接150Ω、220Ω、330Ω电阻测试其电流大小,并调整不同的电流大小以测试其可调范围。
具体数据见表5-3-2所示。
表5-3-2稳流电路测试数据
测试电流(mA)
150Ω
220Ω
330Ω
负载调整率
第一组
24.02
24.02
24.02
0.00%
第二组
20.00
20.00
20.00
0.00%
第三组
14.90
14.98
14.98
0.00%
第四组
10.03
10.03
10.03
0.00%
第五组
1.70
1.70
1.70
0.00%
第六组
0.70
0.70
0.70
0.00%
DC-DC变换电路测试:
输入电压
输出空载
电压
带载(20mA)
负载调整率(20mA)
带载(100ma)
负载调整率
(100mA)
9.00V
100.1
99.3
0.799%
96.4
3.696%
12.08v
100.1
99.8
0.300%
97.7
2.398%
输出纹波:
35.2mV
5.结论
5.1作品达到了题目所有基本和部分扩展功能及指标的要求:
(1)稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围
+15%~-20%条件下:
a.输出电压可调范围为+9V~+12V
b.最大输出电流为1.5A
c.电压调整率≤0.2%(输入电压220V变化范围+15%~
-20%下,空载到满载)
d.负载调整率≤1%(最低输入电压下,满载)
e.纹波电压(峰-峰值)≤5mV(最低输入电压下,满
载)
f.效率≥40%(输出电压9V、输入电压220V下,满载)
g.具有过流及短路保护功能
(2)稳流电源在输入电压固定为+12V的条件下:
a.输出电流:
4~20mA可调
b.负载调整率≤1%(输入电压+12V、负载电阻由
200Ω~300Ω变化时,输出电流为20mA时的相对变化率)
(3)DC-DC变换器在输入电压为+9V~+12V条件下:
a.输出电压为+100V,输出电流为10mA
b.电压调整率≤1%(输入电压变化范围+9V~+12V)
c.负载调整率≤1%(输入电压+12V下,空载到满载)
d.纹波电压(峰-峰值)≤100mV(输入电压+9V下,
满载)
(4)扩充功能
a.排除短路故障后,自动恢复为正常状态
b.过热保护
c.防止开、关机时产生的“过冲”
(5)提高稳压电源的技术指标
a.提高电压调整率和负载调整率
b.扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值
(6)改善DC-DC变换器
a.提高效率(在100V、100mA下)
b.提高输出电压到150V
5.2存在问题及改进措施:
集成度有待改进,模块化电路比较明显。
可以做得更加精致一些。
6.参考文献
【1】.戴伏生《基础电子电路设计与实践》国防工业出版社2002.4
【2】.王成华,王友仁,胡志忠《电子线路基础教程》科学出版社2000
【3】.黄继昌,乔苏文,徐巧鱼《电源专用集成电路及其应用》
人民邮电出版社2006.06
【4】.吴友宇《模拟电子技术基础》清华大学出版社2009.05
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