直流穩壓電源電路設計
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直流穩壓電源電路設計范文第1篇
【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）04-0163-02
在電力電子技術的不斷發展與技術革新下，開關型直流穩壓電源以其自身的工作表現與其可靠性成為我國電力系統中廣泛使用的一種設備。在實際應用中，開關型直流穩壓電源自重輕，工作內故障低，工作效率高，且其性價比占優勢，并具有功耗曉得良好表現。相比于其他開關型電源，開關型穩壓電源應用范圍廣，競爭力強，特別是對于粒子加速器等電源應用范圍來說，開關型穩壓電源具有著良好的專業性與穩定性。通過對于開關型穩壓電源的技術標準研讀與相關的影響因素分析，目前此類技術研究區域人員都是采用移相控制橋來對DC/DC變換小信號模式進行開關型穩壓電源的電路設計。
1.對于動態小信號模型的相關闡述
對于動態小信號模型來說，不同的模型選取進而得到的設計結果都會存在差異。所以，在模型的選取上，應根據其實際情況進行分析與配置。對于開關電源來說，其本質是作為一個非線性的控制對象在進行工作，如果要對其進行成功的設計與分析，那么在進行指導建模時，應以近似建立在其穩態時的小信號擾動模型為依據。這一思路一方面取決于小信號擾動模式穩態時具有與設計目標相近的工作表現；另一方面也是由于這樣的模型對于大范圍擾動時的擬態不夠精準，會造成相應結論的誤差或偏差。基于此，以小信號擾動模型來進行開關型穩壓電源的電路設計是保證其最終設計結果滿足設計要求的必要條件。
2.開關型穩壓電源的相關性能指標
2.1性能指標之穩定性。通過相關數據與實踐結果研究表明，在不同的開關型穩壓電源系統設計下，會產生不同程度的魯棒性。而在暫態特性方面，其表現也會相應提高。但對于直流新穩壓電源來說，其系統下對于增益余量的要求是大于或等于40dB，對于相位余量的要求則是大于或等于30dB。
2.2性能指標之瞬間響應指標。當開關電源處于非穩定狀態下，由于其所受的干擾，輸出量會出現相應的抖動現象。且其抖動量會隨著其干擾而變化，當干擾停止時，則其最終也會回到穩定值，基于此，在對開關型穩壓電源進行這方面的性能指標確定時，是以過沖幅度與動態恢復時間的長短來衡量其系統的動態特性的。在此定義下，瞬態響應指標內容主要是表現為，如果穿越頻率越高，則其系統恢復到動態平衡點的時間就越短，另一方面，系統在干擾情況下所表現的過沖幅度與其相位余量呈相關性。
2.3性能指標之電源精度。在電源精度方面，其控制要求嚴格，一般其最終的電源精度誤差需要控制在設計目標的1‰以下，且其紋波不得在1‰以上。考慮到紋波自身的分類有高頻與低頻兩種，而這兩種紋波是基于開頭頻率表現的。如高頻紋波就是受到開頭頻率的影響，必須通過濾波器進行控制。而低頻紋波則是受到電網波動的影響，必須通過系統的負反饋來進行控制。
3.關于開關型穩壓電源的電路設計
3.1關于系統下的補償網絡與相關相關設計應用。目前來說，對于開關型直流穩壓電源系統來說，其補償網絡是通過PI或者PID的算法來設計與制作的。也就是說，PI調節器的主要作用是對抗高頻紋波影響，也就是提高系統對于高頻干擾能力的抵抗性，但對于PI調節器來說，動態性差的缺點是無法忽視的。目前來說，實際應用中通過引入微分算法后可以有效提高系統的響應速度。但其缺點也顯而易見：一方面是由于零點的大量引入直接造成系統對于高頻信號的敏感度大幅度提高，放大器在此情況下，很容易產生堵塞現象；另一方面則是當開關紋波的放大倍數得到增大時，放大器也會隨之進入非線性區，這結果只會造成整個系統的不穩定。目前來說，對于這些缺陷是以超前滯后的方法來進行補償的。
3.2關于開關型穩壓電源的電路設計原理
3.2.1理想性技術指標如下：（1）輸入交流：電壓220V（50―60Hz）；（2）輸出直流：電壓5V，輸出電流3A；輸入交流電壓在180―250V區間變化時，輸出電壓相對變化量應小于2%；（4）輸出電阻R0
3.2.2關于開關型穩壓電源的基本工作原理。當線性自流穩壓電源處于低頻率工作狀態下時，那么調整管的工作由于其體積大，則其效率相應低，但當其調整管工作處于開關狀態下時，那么其的工作表現就為體積小，效率高。
3.3開關型穩壓電源的電路設計探究。從以上論述可以看出，開關型直流穩壓電源系統其低功耗的特點是由于晶體管位于開關工作狀態下時，對于功率調整管的功耗要求低。特別是對于理想狀態下的晶體管來說，當其處于一種截止狀態時，晶體管所經過的電流為0，相應的功耗也就為0；另一方面，由于開關型穩壓電源系統的穿越頻率較高，所以對于電路的動態響應速度得以提高，而且整個系統的響應速度不受低通濾波器的影響；另外，相對于直流470V的電壓來說，并環穿越頻率遠未達到這一頻率，輸出只為48V，特別是其電壓穩定性方式，經過測試，其低頻紋波穩定率都在0.996以上，完全滿足了設計要求。
4.結語
綜上所述，在進行開關型穩壓電源的電路設計時，小信號的模型選擇是關鍵點。為了進一步提高開關型穩壓電源系統的穩定性，超前滯后網絡補償原理有效地彌補了精度電源的紋波限制高的問題。通過實踐也表明，開關型穩壓電源的適用性非常強，必將為人們生活提供更好的服務。
參考文獻：
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直流穩壓電源電路設計范文第2篇
關鍵詞：直流穩壓電源 線性電源 開關電源 基本類型
一、線性直流穩壓電源
（一）晶體管串聯式直流穩壓電源。其在線性放大狀態工作，具備反應快，電壓穩定度高，負載穩定度高，輸出紋波電壓小，噪聲較小等特點。針對電路技術而言，其控制電路使用元件較少。針對調整管的開關特性，濾波器的高頻性能等要求較少，因此可靠性較高。其最大缺點是工作效率較低。只能通過降低調整管上的壓降，減少調整管上的損耗來提高效率。具體解決策略為：一是PNP和NPN晶體管互補：串聯式穩壓電源輸出電源電流較大時，通常調整管都要接成共集電極的達林頓組合管。因為在晶體管電參數相同情況下在保持電流放大倍數相等的情況下，互補連接的組合調整管的集射極壓降減少了，因而電源的效率得到提高；二是偏置法：一般共集電極組合管集射間的壓降一定程度上取決偏置電流。采用偏置連接法當輸出電流一定時可以有效的提高電源效率；三是開關穩壓器作前置予調節：在輸入-輸出電壓差比較大，輸出電流也比較大的場合，采用開關穩壓器作串聯式穩壓器的前置予調節也是提高電源效率的有效辦法。開關予調節還可以設置在電源變壓器的原邊。
（二）集成線性穩壓器。集成穩壓器在早期市場上應用較多，產量較大，主要分為半導體單片式集成穩壓器、混合式集成穩壓器兩類。兩類集成穩壓器的電路形式、封裝、電壓、電流規格各不相同。集成穩壓器分為定電壓、可調、跟蹤、浮動集成穩壓器多種。然而無論何種形式，其大都由基準電壓源、比較放大器、調整元件即功率晶體三極管和某種形式的限流電路組成。部分集成穩壓器內部還有邏輯關閉電路和熱截止電路。集成穩壓器與由分立元件組成的穩壓器比較，集成穩壓器的優點非常明顯，成本低，體積小，使用方便，性能好，可靠性高。
（三）恒流源網絡穩壓電源。恒流網絡穩壓是串聯穩壓電源的基本特點之一，其能夠有效提高電源穩定性，在集成穩壓器中應用較為廣泛。分立元件組成的串聯穩壓器大都應用了恒流技術。應用晶體管場效應管與恒流二極管等元件能夠實現恒流。恒流二極管在分立元件的串聯穩壓器中應用較為便利。
二、開關直流穩壓電源
開關直流穩壓電源主要指功率調整元件以“開、關”方式工作的直流穩壓電源。早期的磁放大器開關直流穩壓電源是利用鐵芯的“飽和”、“非飽和”兩種狀態進行“開、關”控制，是一種低頻磁放大器。此期間出現的可控硅相控整流穩壓電源也屬于開關直流穩壓電源。之后，高頻開關功率變換技術得以迅猛發展，出現了變換器方式的高頻開關直流穩壓電源。
（一）去除工頻變壓器。去除工頻電源變壓器而采用直接從電網整流輸入方式，是開關電源減少體積和重量的重要舉措之一。去除工頻變壓器已成為當代先進開關電源的基本特點。無工頻變壓器的開關電源與各種有工頻變壓器的直流穩壓電源相比，其具有體積小、重量輕、效率高等優點。開關電源的電路形式已實現多種多樣。從調制技術來看，其包括脈寬調制型、頻率調制型、混合調制型幾類，其中脈寬調制占絕大多數。目前出現了完全無變壓器的開關電源，即連高頻變換器都不需要。這種電源的最大特點是體積還可比現在的無工頻變壓器開關電源小的多，而且沒有繞制的變壓器等器件，能夠集成電路工藝制作。
（二）提高開關電源頻率。現代開關電源的最顯著特點是開關頻率不斷提高，無論是晶體管開關電源、可控硅開關電源、場效應管開關電源，均在實現向高頻化方向發展。隨著功率IGBT和MOSFET的出現，開關電源的工作頻率已從早期典型的20KHz逐步提高到兆赫范圍甚至G赫范圍。
（三）控制電路實現集成。早期開關電源的控制電路由分立元件構成，電路設計和調試維修都較為復雜，不利于開關電源的推廣應用。為了適應開關電源的迅速發展，集成化的開關電源控制電路被研制成功，而且功能日益完善。開關電源控制電路集成化，極大地簡化了開關電源的設計，提高了開關電源的電性能和可靠性，并且具有體積小、成本低等優點。
（四）關鍵元器件高頻化。為適應開關電源快速發展需要，開關電源應用的主要元器件也在快速發展，高頻化是其基本目標。開關電源中的開關元件-功率晶體管、可控硅、場效應管等均在提高工作頻率上發揮著重要作用。特別是功率管IGBT復合管，MOSFET場效應管的出現，最為引人注目，其不僅把開關頻率提高到1MHz-lGHz，并且具有開關特性好、驅動功率小、不存在二次擊穿、避免熱奔等特殊優點。此外，大電流肖特基勢壘的出現極大地改善了低電壓電流開關電源的整流效率，其具有開關速度快、反向恢復時間短，正向壓降地等優點。在濾波過程中，電容器等器件也要在材料、結構工藝諸方面進行研制，以適應開關電源高頻化需求。
（五）實現全數字化控制。開關電源的控制已從模擬控制，模數混合控制，發展為全數字控制階段。全數字控制是未來的發展趨勢所在，并且已在許多功率變換設備中得到廣泛應用。然而，過去數字控制在DC/DC變換器中應用較少。近年來，開關電源的高性能全數字控制芯片已經逐步開發應用，歐美已有多家公司開發并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。全數字控制數字信號與混合模數信號相比能夠標定更小量，芯片價格較低；針對電流檢測誤差能夠實現精確數字校正，電壓檢測更為精準；能夠實現快速靈活的控制設計等。
直流穩壓電源電路設計范文第3篇
【關鍵詞】數控;直流穩壓電源;Proteus;設計與仿真;教學案例
1 引言
Proteus軟件是英國LabCenter Electronics公司開發的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個部分構成，其中Proteus ISIS軟件包含了革命性的VSM（虛擬仿真技術），用戶可以對模擬電路、數字電路、模擬數字混合電路，以及基于微控制器的系統連同所有的周圍電子器件一起仿真[1-2]。在電子類專業核心課程的教學中，除了引導學生掌握好基礎理論知識外，教師更需要加強對學生實踐動手能力的培養，才能促進學生電路設計能力以及實踐創新能力提高，也才能滿足社會對所培養人才的專業能力需求。而將Proteus仿真軟件技術應用于電子類專業核心課程的教學活動中，如模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術以及嵌入式系統等課程的教學，不僅能夠促進教師形象生動地完成教學任務，還可以提高學生的實踐動手能力，如開展創新性設計實驗、畢業設計、電子設計競賽[2]。采用Proteus進行虛擬仿真設計實驗可以根據需要隨時對原理電路圖進行修改，并立即獲得仿真結果。一邊設計一邊實驗，調試時隨時可以修改電路，要比用萬能板焊接元件搭建硬件平臺更為方便，避免了傳統設計中元器件的浪費，節約了時間和經費，提高了設計的效率和質量[3]。本文探討的數控直流穩壓電源的設計和仿真，涉及電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、單片機技術、EDA技術等多方面知識，是電子電路設計與仿真教學的典型案例。
2 電路的硬件設計
2.1 設計方案分析
數控直流穩壓電源設計是一個具有綜合性的設計項目，要求具有一定的電壓輸出范圍，輸出電壓能步進可調，能實時數字顯示輸出電壓。
根據任務要求，首先該電路主體是一個電源，屬于模擬電路設計，其次需要實時顯示輸出電壓，需要譯碼顯示電路，屬于數字電路知識，還有數字到模擬的轉換，需要數模轉換電路，整個轉換過程需要相應的時序控制，需要微控制器有序控制電壓的轉換、輸出、顯示。因此設計方案很多，本文給出一種簡單實用的方案，在此方案中主要由以下幾個部分組成（如圖1）：
控制器部分：為了能有序控制電源的步進輸出及顯示，本設計選用學生熟悉又比較常用的8051系列單片機AT89C52。單片機的作用除了有效控制電壓的數控輸出及顯示外，還可進行功能擴展。
電壓輸出部分：本設計對電源的輸出電壓電流沒有太高的要求，當前已有集成三端穩壓器一般能滿足要求，而且這類芯片內部都有過流和過熱的保護電路。例如型號為LM317集成三端穩壓器，其額定電流可達1.5A，輸出電壓的調節范圍為1.2～37V，內部有過熱和過流保護電路，價格也不貴，所以采用這種芯片為主體來組成所要求的系統是比較合理的。
電壓調節部分：為了能實現電源輸出步進變化，結合集成三端穩壓器的特點，選擇模擬開關和電阻網網絡構成D/A轉換電路，將單片機與三端穩壓器聯接，實現數字信號到模擬信號的轉換。控制單片機輸出的數字信號即可改變三端穩壓器輸出電壓，實現電壓的數控調節。
電壓顯示部分：該部分選用常用的數字電路中的譯碼顯示電路，為了節約單片機的IO端口，顯示方式采用動態顯示。
圖1 整體電路設計方案原理圖
2.2 各單元電路硬件設計
根據上面的設計思路，為了能快速方便的實現該設計方案，采用常用的一種仿真設計軟件Proteus完成該電路的設計與仿真。Proteus軟件包含了豐富的元器件庫，能夠很方便地調用設計方案中需要的各種元器件連接成電路，并進行仿真測試。
2.2.1 單片機控制電路
單片機是數控電源的核心，它通過軟件的運行來控制整個電路的工作，從而完成設定的功能。本設計中控制電路選用AT89C52單片機，它是由美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能8位CMOS單片機，片內含8K字節的FLASH或PEROM和256字節的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容[4]。AT89C52接收來自按鍵的信息，并對按鍵輸入的信息進行處理，從而控制輸出電壓的變化，并將變化的結果輸出到顯示電路上。
2.2.2 電壓輸出電路
該電路主要由集成三端穩壓器LM317作為核心器件穩定輸出電壓，該芯片內部有過流和過熱保護電路，電容C1、C3濾除交流雜波，二極管D1為負載電容的存儲電荷提供一條放電通路[4]。LM317的穩壓輸出電路如下圖2所示。
圖2 LM317穩壓輸出電路
圖2中輸出電壓滿足下列關系，
由于調整端的電流IADJ小于100uA，大多數情況應用時可以忽略，因此輸出電壓近似為 ，通過調節可調電阻R2可以很方便地改變輸出電壓。
2.2.3 電壓調節電路
從上面的LM317輸出電壓公式得知只要改變可調電阻R2的大小可以很方便地改變輸出電壓的大小，如果把R2設計成一個線性電阻網絡，通過模擬開關進行切換，就可以實現數控輸出電壓的要求[5]。線性電阻調節網絡如圖3所示，電路中選用8個電阻值依次倍增的精密電阻，模擬開關選擇常見的繼電器，通過按鍵輸入控制單片機P1口輸出的數字量控制繼電器的閉合與斷開，實現一種類似于數字量到模擬量的轉換網絡，來改變接入LM317調整端電阻的大小，從而改變輸出電壓大小。
圖3 線性電阻調節網絡
2.2.4 電壓顯示電路
譯碼顯示電路選用4位數碼管的動態顯示方式（如圖4所示）。將單片機的P2.0和P2.1口控制數碼管的段選和位選的選通，P0口實現對數碼管段選和位選的數據傳送。P0口既要輸出位選數據還要輸出段選數據，因此采用分時傳送方式，分別用兩個鎖存器74HC573保存對應的位選數據和段選數據;兩個鎖存器的工作分別通過單片機的P2.0和P2.1口來控制。
圖4 譯碼顯示電路
2.2.5 聲光指示電路
為了能指示輸出電壓的最大值、最小值，分別添加紅、綠LED指示燈;為了能指示按鍵的增減，添加蜂鳴器，按鍵每按下一次，就發出報警聲一次。
3 電路的軟件設計
直流穩壓電源系統是以單片機為核心控制電壓的調節與顯示，因此需要編寫相應軟件程序控制單片機有序工作。
根據以上電源系統的硬件特點和實現功能，軟件程序的結構可分為主程序和若干子程序[6]。主程序主要完成：系統初始化、數碼管顯示、按鍵是否按下，并跳轉到相應功能的子程序中去。主程序流程圖如圖5所示。子程序包括：系統初始化子程序、顯示數據處理子程序、數碼管顯示子程序、按鍵中斷子程序等。
圖5 主程序流程圖
4 電路的整體設計與仿真分析
單片機系統的仿真是Proteus軟件的一大特色。首先在Proteus中將上面硬件設計的各單元電路連接成一個完整的數控直流穩壓電源仿真電路（如圖6所示）;然后創建源代碼程序文件，并編輯該電源系統的程序源代碼;接著將源代碼編譯生成為目標代碼，將目標代碼添加到圖6中的單片機元件的屬性中，相當于在實際電路中對單片機下載目標程序;最后進行電路的調試仿真[7]。
圖6 整體設計仿真電路圖
圖6所示電路的仿真結果如下：當電路上電工作后，由于電阻網絡中沒有電阻接入LM317的調整端，數碼管上顯示出電壓為1.25V。當電壓增加按鍵按下時，單片機的外部中斷0產生中斷，蜂鳴器報警，電壓計數值增加1，接入的電阻網絡中的電阻值增加一個單位，相應的輸出電壓增加0.1V;保存數碼管結果的計數器值加1，P2.0端口選通譯碼顯示電路的位選鎖存器，送入相應的位選數據;P2.1端口選通譯碼顯示電路的段選鎖存器，送入段選數據;數碼管上顯示結果值增加0.1。當電壓增大到15V時，紅燈亮，顯示電壓值不變化，輸出電壓值也不再增加;當電壓減小到1.25V時，綠燈亮，顯示電壓值不變，輸出電壓也不再減小。
在仿真電路中增加虛擬測試儀器，如圖6中在穩壓輸出端Vout添加直流電壓表或者電壓探針，可以在仿真中實時觀測輸出電壓的變化數據[3]。
電路仿真輸出的理想結果是：電壓輸出大小從1.25V到15V變化，變化步進單位為0.1V;但實際上仿真結果是：數碼管上顯示結果與LM317輸出端接的電壓探針測量的電壓值有一點誤差。仿真測試數據如表1所示。
表1 仿真測試數據對比表
顯示值 測量值 誤差 顯示值 測量值 誤差 顯示值 測量值 誤差
1.35 1.356 -0.006 5.55 5.527 0.023 11.55 11.475 0.075
1.55 1.554 -0.004 5.95 5.924 0.026 11.95 11.871 0.079
1.95 1.951 -0.001 6.55 6.520 0.030 12.55 12.465 0.085
2.35 2.349 0.001 6.95 6.916 0.034 12.95 12.861 0.089
2.55 2.548 0.002 7.55 7.511 0.039 13.35 13.257 0.093
2.95 2.946 0.004 7.95 7.908 0.042 13.55 13.455 0.095
3.35 3.343 0.007 8.55 8.503 0.047 13.95 13.850 0.100
3.55 3.541 0.009 8.95 8.900 0.050 14.35 14.247 0.103
3.95 3.939 0.011 9.55 9.494 0.056 14.55 14.444 0.106
4.35 4.335 0.015 9.95 9.891 0.059 14.75 14.642 0.108
4.55 4.535 0.015 10.55 10.485 0.065 14.85 14.741 0.109
4.95 4.932 0.018 10.95 10.881 0.069 14.95 14.840 0.110
從仿真結果上看，隨著電壓的增加，數碼管輸出的理想結果與電壓探針輸出的結果誤差將逐漸增加，最大相對誤差為0.11V，即數碼管上顯示電壓值為14.95V時，電壓探針實時測量電壓值為14.840V。仿真結果說明該電路在精度要求不是很高的場合足以適合應用。
分析誤差的原因：（1）仿真軟件中的電路元件畢竟是模擬元件，不是真實電路，即使真實電路也會有一定的誤差;（2）顯示結果是直接將控制繼電器的數字信號通過單片機軟件顯示出來，而電壓探針測量的是LM317輸出端的電壓值，兩種的顯示位數、精度不同。當然實際輸出端的結果還取決于連接的電阻網絡中的電阻值的合理選取。通過仿真不但可以觀察輸出結果，還可以在仿真軟件中很容易修改電路并分析結果。
5 小結
本文利用Proteus軟件實現了一種數控穩壓直流電源的設計與仿真，無論設計過程還是仿真測試結果都達到了滿意的效果。該電路的設計與仿真作為電子類專業的綜合課程設計典型教學案例，在教學過程中應用Proteus仿真軟件對電路的設計方案及結果進行實時的仿真測試與分析，一方面仿真設計操作簡單，搭建電路、測試結果方便，修改設計快捷;另一方面在教學中增加了學生電路設計上的感性認識，便于對電路設計理論的理解，提高了學生的興趣。總之，利用Proteus仿真軟件能較好地完成設計任務，將之應用到相關課程教學中是一種新的教
學方法，有助于教師的教學和學生的自主學習。
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直流穩壓電源電路設計范文第4篇
【關鍵詞】單片機；直流穩壓；數模轉換
一、數字式可調穩壓電源原理介紹
1.方案分析與選擇
方案一：數控部分用單片機帶動數模轉換芯片提供線性穩壓電壓的參考電壓。
優點：對于單片機，系統工作在開環狀態，對數模轉換的精度要求較高，設計成本低。
缺點：功耗較大，LED數碼管輸出顯示不是系統的精確輸出電壓，須對它進行軟件補償。
方案二：數控部分用AVR單片機的PWM組成開關電源，再利用AVR的AD轉換對輸出電壓進行實時轉換，利用軟件進行電壓調整以達到穩壓。
優點：硬件簡單，穩壓的大部分工作由軟件完成，對單片機的運行速度要求很高，利用手頭的ATmaga16L單片機最高8MHz工作頻率很難達到速度要求。對軟件要求較高，功耗小。
缺點：輸出紋波電壓較大，對軟件的要求很高。
方案二簡單的電路結構起初對設計者很吸引，但是后來了解到AVR單片機的PWM的精度用于開關電源比較勉強，而且開關電源有個通病：紋波電壓大，考慮到設計目標對電源的功耗要求不是很嚴，同時為了保證紋波足夠小也鑒于自身對于51單片機和線性電源較為熟練，故選擇方案一。
2.總體設計原理
本設計采用AT89S52單片機作為整機的控制單元，利用4×4鍵盤輸入數字量，通過控制單元輸出數字信號，再經過D/A轉換器（DA0832）輸出模擬量，最后經過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著輸出功率管的基極電壓的變化，間接地改變輸出電壓的大小。
二、數字式可調穩壓電源硬件電路設計
本系統的硬件電路設計主要圍著AT89S 52單片機作為整機的控制單元用PROTEL 99SE設計軟件來布線的，其中還用到了模數轉換芯片DAC0832、外部存儲芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩陣式鍵盤、數碼管等其他器件。總體框圖考慮到各個元件的電氣特性，例如元器件之間的干擾問題，接地問題，布線問題等，本系統將硬件電路設計分為數字部分和模擬部分。
（一）穩壓電源數字部分電路
穩壓電源數字部分電路即單片機接口電路主要包括：DAC0832數模轉換電路、EEPROM接口電路、鍵盤接口電路、揚聲器接口電路、復位電路、晶振電路及數碼管顯示部分電路。
1.單片機接口總電路
單片機AT89S52與器件的接口總電路如圖1所示，下面將各部分電路介紹，AT89S52的P0、P2.5-P2.7接數碼管輸出顯示部分電路，其中P0口用來輸出字段碼；P2.5-P2.7用來輸出數碼管選通位信號；P2.0、P2.2分別接外部存儲芯片24C01的數據線（SDA）和時鐘線（SCL）；P2.3接揚聲器電路，為執行內部程序指令，EA/VPP必須接VCC。
AT89S52的P1口與數模轉換芯片DAC0832相連接，用來輸出數字量信號；RST為復位腳，用來輸入復位信號，同時它還與P1.5-P1.7一起用作ISP下載端口；P3口用做鍵盤信號輸入端口，XTAL1、XTAL2接晶振電路。
2.單片機電路接口電路
主要有：24C01與單片機AT89S52接口電路、4×4矩陣鍵盤接口電路、揚聲器電路、AT89S52單片機復位電路及外部晶振電路、數碼管顯示部分電路。下面簡單介紹一下存儲芯片。
穩壓電源設計中利用它存儲電壓輸出值，實現掉電保存當前電壓值的功能。它的引腳1、2、3、4、7接地；8腳接+5V；5腳與6腳分別接單片機的P2.0、P2.2的同時接5.1K上拉電阻后再接+5V（因連接總線的器件的輸出端必須是集電極或漏極開路，以具備線“與”功能）。
3.數字部分電路PCB設計
本系統中，數字部分電路PCB采用Pro-tel99se軟件進行設計。如圖2所示：
（二）穩壓電源模擬部分電路
穩壓電源模擬部分電路主要包括電源部分電路，由運放LM324、達林頓管TIP127等構成的輸出電壓控制單元電路。另外，模擬部分電路屬于高壓部分，穩壓管和達林頓管發熱量比較大，要帶散熱片；同時須將它與5V低壓工作的數字部分電路分開，這樣可有效地防止元件的損壞，這也是系統為什么將電路設計分為數字部分和模擬部分的原因。
1.電源部分電路
在系統設計中考慮到單片機及其他器件的電源供電問題，采用一個變壓器將220V交流電降壓再經電橋整流，獲得25V左右的平穩電壓，然后用穩壓管78L24、78L12、78L05進行三次穩壓，分別獲得24V、12V和5V的穩定電壓，24V提供的是運算放大器LM324和達林頓管TIP127的工作電壓，5V是AT89S52單片機和DAC0832的工作電壓。圖3所示。
2.輸出電壓控制單元電路
系統中，矩陣鍵盤輸入數字信號經AT89S52處理后輸出給DAC0832，數字信號經過數模轉換后輸出的是電流量，因此必須將電流量接電阻后接反饋放大電路以實現穩壓輸出。本設計的模擬部分利用了LM324作為放大器，采用二級放大電路，第一級為同相比例放大電路，第二級為閉環反饋放大電路。
本設計實際用到的數字式可調穩壓電源模擬部分輸出電壓控制單元電路，其中用電位器和微調電阻作為校準電壓值硬件補償；用達林管TIP127作為調整管，由于其工作時發熱量較大，須外加散熱裝置。
三、數字式可調穩壓電源軟件設計
本系統軟件設計要實現的功能是：鍵盤對單片機輸入數據，單片機對獲得的數據進行處理，處理后的數據送4位共陽數碼管，再送到8位數模轉換芯片（DAC0832），以實現數字量對電壓的控制。系統中的主程序主要完成鍵盤掃描、判斷、處理和數碼顯示。
1.編程語言及輸入
C語言在單片機的應用中，由于其邏輯性強，可讀性好，比匯編語言靈活簡練，目前越來越多的人從普遍使用匯編語言到逐漸使用C語言開發，市場上幾種常見的單片機均有其C語言開發環境。因此，在本系統中，考慮到匯編語言的這些缺點，采用了C語言作為軟件設計語言。
2.軟件補償編程
由于系統采用DAC0832進行模數轉換線性穩定度不夠好，因此系統實際輸出電壓值與輸出顯示值存在誤差，必須用軟件補償的辦法來消除誤差。為此通過測試多組實際輸出電壓值與輸出顯示值對比，然后進行軟件補償，所以程序中調用軟件補償函數對輸出電壓值的補償，從而消除誤差。
四、結束語
本系統的不足之處就是不能對輸出電壓進行實時采樣，為了能夠使系統具備檢測實際輸出電壓值的大小，系統通過加入模數轉換模塊（ADC0809芯片）進行模數轉換，間接用單片機實時對電壓采樣，然后進行數據處理及顯示。這樣一來使系統輸出誤差更小，效果更好，這也是系統將來的一種功能擴展。
單片機實現的數字式可調穩壓電源由于原理簡單、穩定性好、精度高、成本低、易實現等諸多優點而受到越來越廣泛的重視。其性能優于傳統的可調直流穩壓電源，操作方便，非常適合一般教學和科研使用。
參考文獻
[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2006.
直流穩壓電源電路設計范文第5篇
關鍵詞：Atmega16單片機；DA轉換器；開關穩壓芯片；BUCK電路
數控直流電壓源，就是輸出電壓可控的直流電壓源。如今，電子設備己成為人們日常工作和生活中必不可少的一部分，而電源恰恰是電子設備的心臟，為電子設備提供所必需的能量，起著萬分關鍵的作用。電源系統對安全性、可靠性、便捷性以及實用性的要求正變得越來越高，數控直流電壓源也因此逐漸受到人們的青睞。傳統可調電源往往通過電位器來達到目的，雖然這樣的電源有很大的輸出功率，但很難做到精確調整，效率也不高。而數控直流電壓源輸出精確可調，亦有較高的輸出功率以及轉換效率，且更加輕便。本文的目的就是研究和實現高效低耗的數控直流電壓源。
1數控直流電壓源基本組成及工作原理
本文所設計的數控直流電壓源的基本組成結構框圖如圖1所示，系統中，MCU選用AVR單片機Atmega16，它內部資源豐富，功耗低，可以保證系統穩定、可靠運行。DA轉換器選用TLC5615，其基準源由基準源芯片REF5020產生。模擬電路模塊包括開關穩壓芯片LM2596_ADJ，運放芯片TL082，開關型電壓轉換芯片LMC7660以及功率電感等器件，共同構成一個BUCK電路。輸出電壓、電流經采樣電路采入MCU并由液晶LCD5110進行顯示。按鍵作為輸入設備，對輸出電壓進行設置。
本設計工作原理是將單片機與DA轉換器進行SPI通信，使DA輸出可調的控制電壓，送到運放TL082反相端。而以開關穩壓芯片LM2596_ADJ為核心的BUCK電路上電后即輸出電壓，經分壓后送到運放同相端，此時TL082作為比較器使用以比較上述兩個電壓。運放輸出信號經二極管IN4148送入LM2596-ADJ的反饋腳（FB端）控制輸出電壓，由于LM2596-ADJ內部有1.235V基準電壓以及比較器，當FB腳處電壓小于基準時，會抬高輸出電壓；反之，則會降低，最終達到穩定從而達到數控的功能。接上負載后，輸出電壓、電流經采樣點路送入MCU，就能在LCD5110上顯示輸出電壓與輸出電流。當采得電流值大于額定值，則將軟件關閉LM2596_ADJ的使能端，進行過流保護。
2系統硬件電路設計
2.1 單片機最小系統電路設計
單片機最小系統是利用最少的器件而使單片機工作的電路組織形式。 最小系統電路原理圖如圖2，包括單片機、振蕩電路、復位電路及供電電路。
2.2 DA轉換器及其基準源電路設計
DA轉換器及其基準源電路設計如圖3所示， REF5020電路簡單，在其2腳（Vin）與4腳（Gnd）之間加上18V以下直流電壓，再在6腳（Vout）接小電容即可得到基準電壓。TLC5615為10位DA轉換器，其1～4腳可與單片機標準SPI口PB4～7相連，通過收到的10位數字碼控制輸出電壓。它的5腳與8腳加上供電電壓，6腳（REFIN）接來自基準源的2.048V電壓，就能在7腳獲取DA的輸出電壓。
2.3 穩壓電路及其后級濾波電路設計
LM2596系列是降壓型開關穩壓芯片，其電路為一標準BUCK電路。穩壓電路及其后級濾波電路設計如圖4所示，輸入電壓從其1腳（IN）與3腳（GND）接入，輸入電壓為40V以下直流電壓。開關信號由其2腳（OUT）輸出，加到電感與吸納二極管上。5腳（ON/OFF）為芯片使能端，低電平有效。4腳（FB）為反饋端，接入反饋信號以控制輸出電壓。圖中上半部分為5.0V穩壓輸出，為單片機供電。下半部分為主穩壓電路，輸出可數控的電壓。PCB設計要點，輸出電感、電容以及后級濾波電路參數設計可按實際設計要求參考芯片技術手冊。
2.4 負電壓產生電路設計
由于需為運放提供雙電源，故需產生一負電壓，可利用開關型電壓轉換芯片LMC7660。負電壓產生電路設計如圖5，在芯片8腳（V+）與3腳（GND）加入一正直流電壓，并在2腳與4腳之間串上一10～22μF電容，即可在5腳得到對應正電壓的負電壓。
2.5 比較電路設計
比較電路設計如圖6所示，本部分電路的核心思想是將輸出電壓（經分壓后）與DA輸出的控制電壓進行比較，若輸出電壓小，則抬高輸出電壓；反之，則降低，使兩個電壓達到動態平衡以達到數控目的。本電路中，運放與反相端之間的電容，與反饋端的電阻構成一個類似積分器的結構，當平衡時，正負偏移量相等，故系統輸出將很穩定。
3系統軟件設計
系統軟件總流程圖如圖7所示，本部分設計包括單片機與DAC的SPI通信子程序、AD采樣子程序、掉電保持子程序、液晶顯示子程序以及鍵盤掃描子程序，從而達到控制DA輸出電壓、獲取實時電壓電流、掉電保持、實時顯示以及鍵盤控制等多項功能，具體見下文分析。
3.1 單片機SPI通信程序設計
AVR單片機Atmega16的標準SPI口為PB4～PB7，當直接使用時，只需配置若干相關寄存器即可進行數據的主從機傳輸，且由于本程序無需從DA傳數據到單片機，故實際上MISO（PB6）口是不需工作的。工作時，需要配置SPI相關寄存器，即SPCR寄存器以及確定主機模式、時鐘頻率等。當使能端（PB4）有效，將一個字節數據賦給數據寄存器SPDR，就可傳送一個字節的數據到TLC5615，完成后狀態寄存器SPSR中的SPI完成標志位置位，在下次傳送時需軟件清零，完成后PB4拉高以停止SPI數據傳輸。
3.2 AD采樣程序設計
Atmega16單片機內部集成了一個8通道10位的AD轉換器。使用時，首先需要配置AD模式寄存器ADMUX以確定AD的參考電壓選取、采樣通道、放大倍數等。下面要配置ADC控制和狀態寄存器ADCSRA寄存器以決定分頻率，AD中斷是否使能，AD是否啟動等。另外，若要使用AD中斷，還要配置全局中斷寄存器SREG。完成后就會開始進行AD轉換，轉換得到的10位數字碼存在兩個寄存器ADCH與ADCL，在程序中取出兩個寄存器內容后進行一定的轉換即可。
3.3 掉電保持程序設計
Atmega16內部具有512字節EEPROM，地址范圍為0～511。EEPROM的讀寫方便，ROM的每個地址可存儲一個字節。每當用于控制的10位數字碼變化，就將其按高低8位拆分，存入ROM中，當開機時再取出相應地址里的內容，重組10位數字碼，即可完成掉電保持功能。
3.4 液晶顯示程序設計
LCD5110是84*48點陣液晶顯示屏，它采用串行接口與MCU進行通信且支持多種串行通信協議。液晶顯示字符的原理就是將每個6*8的點陣進行選擇性點亮，使其顯示出相應字符的形狀。本設計需顯示電壓、電流，當得到AD采樣結果后，將數據按位拆分，并顯示在不同位置即可。
4結論
通過測試，本文所設計的數控直流電壓源性能穩定可靠，設計電路實用、簡單，效率高，帶負載能力較強，該系統有如下特點：
（1）本系統輸出電壓在0～24V可調，步進為0.1V，輸出電流最大可達3A，輸出電壓值、電流值由液晶LCD5110顯示。
（2）最大輸出功率45W以上，電源效率在80%以上，紋波不大于100mV。
（3）具有掉電保持、過流保護、常用電壓預置等多種功能。
本數控直流電壓源設計方案巧妙、電路及控制原理簡單，輸出可調且具有不錯的帶負載能力、很高的轉換效率，可應用于供電電壓在24V以下的各類電子設備供電。
參考文獻：
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作者簡介：
沈瀚祺，男，（1991～）浙江桐鄉人，杭州電子科技大學電子信息學院本科生，研究方向：數字圖像處理與DSP芯片設計。
