原创 [原创]大电流数控可调电压源的设计

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[原创]大电流数控可调电压源的设计

By KuangJunBin

    KuangJunBin：更详细设计过程，欢迎下载附件中的doc文件！如您对本项目感兴趣或者有任何疑问，欢迎与我一起探讨：geforcefat@gmail.com。谢谢您的阅读！

一、      设计要求

1          任务

设计并制作一个简易数控稳压电源。

2          要求

（一）基本要求
1、在输入直流电压变化范围+3V~+12V 的条件下 ：

（1）输出要求：

a. 输出电压：0V到+10V/DC可调，步进为0.1V，误差的绝对值小于1%；

b. 最大输出电流：<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />1A；

c. 电压调整率小于1%（输入电压变化范围+3V~+12V，满载）；

d. 负载调整率小于1%（输出电压为+9V，负载电流变化范围0.1A~1A）；

e. 纹波电压（峰-峰值）小于输出电压的0.5%（满载时）；

（2） 电路效率大于70%（满载时） 。

（二）发挥部分

（1） 电路效率大于85%，纹波电压（峰-峰值）小于输出电压的0.2%；

（2） 增加输出过载保护（大于1.2A）、输入过压保护（大于+13V），均提供报警指示；

（3） 设计并制作一个输出电压、输出电流的测量电路，并能实时显示测量值，要求测量误差的绝对值小于1%；

（4） 其它特色与创新。

二、      方案选择

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使用AT89S52单片机做控制器，以数模转换器DAC0832输出参考电压0.00-2.00V参考电压，再使用低温飘运放LM358实现5倍放大，达到0.0-10.0V的输出电压范围，并引入深度负反馈控制电压输出精度。最后，使用两片ICL7107分别对输出电压和输出电流进行监控和显示。该电路设计简单，应用广泛，精度较高等特点。

三、      电路原理

本作品采用AT89S52作为系统的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地实现电压转换、电压控制、实时显示、电流扩大、同步电压电流测量、过压保护等主要功能。另外，采用1*4键盘进行参数设置，采用LED显示参数设置，

各部分电路结构方框图如下所示：

   总体电路结构方框图

电压转换模块MC34063

MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
由于要灵活应对3-12V宽电压范围的输入，我们采用MC34063开关电源转换芯片实现升压，再根据电路各部分供电要求，用稳压电源芯片，例如78XX-ST系列。

    电路原理图：

数字控制模块——AT89S52

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52的I/O具体分配如下表所示：

  电路原理图：

电压处理模块——DAC0832：

采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接地，/WR2和/XEFR接地。DAC的11脚接参考电压，参考电压电路如图所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。DA的电压输出端接放大器LM358的输入端，放大器的放大倍数为 R8/（R8+R9）=1K/（1K+4K）=5，电压分辨率=0.02V×5=0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。

         参考电压电路原理图

电压控制模块原理图：

电流扩大模块——TIP122：

扩流输出部分，我们首先采用一片LM358作为电压跟随，以减少本级电路对前一级电路的影响。然后采用达林顿管TIP122，并接成设计跟随器的电路方式，对输出电流做进一步的扩大，理论最大电流输出可达2A以上。由于引入了深度负反馈，所以最终的电压输出与电压控制模块相同。

电路原理图：

扩展功能模块

  过压提示电路

采用比较器LM311，把输入电压分压到LM311的一端，另一端采用精准电流源TL431提供一个5V的基准电压供比较。如果输入电压大于13V，则LM311输出高电平，发光二极管导通，提示灯亮起。

   过流保护电路

电压显示电路

ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。数字显示用的数码管为共阳型，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻。

芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 1000mV。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 0-2000mV 的电压。开始时，把它接地，造成"0"信号输入，以方便测试。

27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。

由于ICL7107的取样输入阻抗高大兆欧级别，所以电压取样我们使用了串连分压电路，直接从输出端分压成1/10，输入到ICL7107的Vin即可

电路原理图：

电流显示电路

电流显示的主电路与电压显示一致，也是采用ICL7107作为电压检测和驱动LED数码管。

电流采样电路采用电流-电压转换的方法，在输出级串连一个1欧姆的功率电阻，即可把输出的电流信号转换为电压信号，输入到ICL7107的Vin。

四、      软件流程

本系统基于简洁的软件设计，算法结构严谨，程序运行流畅，系统可以实现丰富精准的控制与操作设置。主体流程如下所示

五、      测试与分析

1.电压输出:

调整输出电压范围,测电压覆盖范围：

输出电压可以从0到10V以上

电压输出步进为0.1V

2.电流输出：

    负载为10欧姆，输出电压为10V时，输出电流I＝0.986A

 过流保护的动作电流I_O（th）=1.3A

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