原创 带“锁定输出”的数控稳压电源（一）

本文是探索“开源培训”思想的作品。

所谓“开源培训”是指在某个社区，各志愿者提供有一定实用价值和教学价值的作品，同时详细说明制作过程，并提供制作所需的各类资源，帮助入门者快速找到适合自己的项目，并能通过自己的亲自实践制作来学习单片机，从而能够从一个“学习者”转变为一个“开发者”，跨过这至关重要的一步。

（因为系统字数限制，全文分两部分发表，源程序和PCB图在第二部分文章的附件）

学校实验室使用的电源，一般通过电位器来调整电压。在作者带着学生做实验的过程中，往往有学生随意调整电压，稍不注意，就会造成实验的失败或者器件的损坏。为此，我希望能够制作一个能够“锁住电压”的电源，经过一番研制，就有了这块数控电源芯片。利用这块电源芯片，可以根据需要制作各种性能要求的电源。下面以作者制作的一台样机为例，对该电源能够实现的功能作一个描述，然后介绍其制作的方法。

1．电源的性能及操作

如图1所示是样机的外形图，从图中可以看到，电源面板上有3位数码管用来指示输出电压值；4个发光管用来指示各种工作状态；有 5个按键可用来进行各种设置。

 

图1 电源样品的外形

      1.1技术指标

l 输出电压：3~12V

l 电压调整方法（2种）：

n 普通调整：0.1V/级递增或递减。

n 快捷调整：按预设电压值快速切换。

l 限流：当输出电流超过0.1s后，切断输出，同时过流指标灯点亮；

l 调压模式（3种）：

n 快捷调整电压时自动关闭输出，普通调整时不关闭输出；

n 快捷调整和普通调整时均自动关闭输出；

n 快捷调整和普通调整时均不自动关闭输出；

l 开机模式：

n 开机时调出预设电压，但并不输出，需按输出键后才输出；

n 开机时调出预设电压，直接输出。

l 分辨率：控制板输出不低于0.1％，稳压电源精度取决于电源板的设计。

l 锁定模式

n 不锁定输出，可以自由调整输出电压；

n 锁定输出，锁定当前输出电压，电压即不可调整，直到进入解锁模式并输入解锁口令后才能重新调整电压。

1．2 显示方式

3位数码管用于显示当前输出电压，4位发光管分别用于指示“输出”、“过流”、“锁定”与“模式”。当输出指示灯亮时，输出端子上有电压输出，不亮时，输出为零；过流指标灯亮时，说明有过流现象，应检测负载情况；锁定指标灯亮，说明此时工作在锁定状态下，此时，电压值不可直接调整，需要进入设置状态解锁后才能调整电压；模式指示灯点亮时，只能在关闭电压输出后才能调整输出电压值。

1．3 按键操作

本机由5个按键组成，分别是功能键、加1键、减1键、快捷变换键和输出切换键。这5个按键的功能描述如下：

功能键：按该键进入设置状态。

加1键：未进入设置状态直接按该键时，每按一次加0.1V，可以快速连加。进入设置状态后，每按一次显示数字加1。

减1键：未进入设置状态直接按该键时，每按一次减少0.1V，可以快速连减。进入设置状态后，每按一次显示数字减1。

快捷变换键：每按一次，按预置值更改输出电压，预置值为3、5、6、9和12V。

输出切换键：当有电压输出时，按下该键立即切断输出；无电压输出时，按下并保持约1.5s后产生输出。

      2．工作原理

本机由控制板和主电源板两部分组成，下面分别介绍。

2 ．1 稳压电源及过流保护

图2所示为主电源板部分，其中IC1，IC3及相关部分组成±15V电源，提供给运算放大器LM324。IC3是7805，用于提供5V电源给控制板。

 

图2

图中，R18，W2，IC4D，VT2，VT3，等元件构成一个典型的串联稳压电路，其中VT3为电源调整管，IC4D的反相输入端通过多圈电位器W2和电阻R18接到输出端，引入负反馈。如果IC4D的同相输入端接一个基准电压，那么，通过调整W2就能改变输出电压，这也就是教科书上经典的串联稳压电源电路。但这里并不通过手工调节电位器来调节电压，而是在IC4D的同相输入端接一个“可变”基准电压。显然，只要改变这个电压值，输出电压也就随之改变。

R19，VD3，VT4，R20等元件构成一个恒流源，用于提供一个负载，避免空载时的失控。

IC4A与R1、R2、W1、电流取样电阻R3等组成过电流检测电路。当电路未接负载时，调整W1使得IC1A输出高电平，当电路接有负载时，电流必然流过R3，在R3两端形成电压降，这使得W1两端电压下降，即IC1A同相输入端的电压下降。当电路中流过额定电流（如1A）时，调整W1，使得IC1A刚好输出翻转。这个输出经过VD4和R16电平变换后，得到一个低电平，该电平被送往控制板，用来切断输出。

这样，电路的调压、保护等功能都已分析完毕，只要能够输出适当的基准电压，就能够获得所需要的输出电压了。

2.2 基准电压的产生

基准电压通过PWM方式来产生，控制板产生的PWM控制信号通过R15接到VT1的基极。如图3所示是两种占空比的PWM波形

 

10%占空比                80%占空比

R4，R12，R13和T１（ＴＬ４３１）构成了一个基准源，在Vａ处得到５V的稳定电压。R５是反相器Q１的集电极负载电阻，经过VT1倒相后，10%占空比的波形会变成90%占空比的波形，而80%占空比的波形会变成20%占空比的波形。不过，这也正是我们所需要的，详见下面的分析。R６、R７和电容C７构成滤波电路，将ＰＷＭ波形变换成稳定的直流电压。其电压值为：

Vo=Ti/T*Vref

式中Ti/T就是占空比，而Vref是由基准源TL431生成的5V标准电压。

这个基准电压经过由IC4B组成的反相比例放大器进行放大，并送到IC4D的同相输入端作为稳压电源的基准电压。这里有个问题，由于输入IC4B组成的反相比例放大器的电压为正，放大后的电压就应该是负，而这是无法满足使用要求的。当然，多用一级放大器就可以解决这一问题，但本电路设计中恰好用完一片四运放，为不增加芯片，这里使用了“调零”的方法。当控制端输出最低电压的控制要求（10%占空比的脉冲信号）时，经过VT1反相得到90%占空比的脉冲信号，滤波后实际得到的Vo是90/100*5=4.5V，而当控制端输出最高电压控制要求（10%占空比的脉冲信号）时，经过VT1反相得到10%点空比的脉冲信号，滤波后实际得到的电压为10/100*5=0.5V。这样，只要在IC4B的输入端为4.5V时，通过调整W2，将输出电压调整为0V，在IC4B的输入端为0.5V时，必然会有一个正电压输出。按R9为220K来计算，这个输出值约为10V。当然，这个值的绝对值大小并不重要，因为可以通过W3电位器来调整。

需要说明的是，这个设计仅仅是一种设计方案，读者可以根据基准电压产生这一部分内容的介绍来设计各种基准产生电路。同时，也可以设计出各种不同电路形式的稳压部分，以获得更大的输出电流、更高的效率或更好的性能。

2.3 控制板部分

       图3是控制板部分的电路原理图，从图中可以看到，控制板由单片机IC1、3位LED数码管，4个发光二极管和5个按键组成。控制器提供1路基准电源输出，接受1路过流信号输入。

 

图3 控制部分原理图

       图中IC1使用的是STC12C2052芯片，该芯片是一种与80C51在指令一级兼容的高性能单片机，其主要特点有：

1． 芯片内置EEPROM；

2． I/O口具有多种工作模式，可以将同一个I/O口复用为输出和输出；

3． 大电流驱动能力；

4． 内置复位芯片。

本电路的设计中充分应用了这些特性。从图中可以看到，3位数码管和4个LED由芯片直接驱动，没有加任何驱动芯片或者三极管。内部EEPROM被用来存储设定的参数，无需再扩充其他存储芯片；利用I/O口的复用特点，P1口作为数码管段驱动的同时，又可作为按键的输入，大大节省了I/O引脚。复位电路只需使用简单的RC复位电路，就可以得到很好的复位效果。

控制芯片根据按键的设置，从基准源输出端送出各种不同占空比的控制电压，最终通过滤波得到稳定的电压，用以控制稳压电路部分，使得电路输出不同的电压。