直流稳定电源

1、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。

2、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

3、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

4、坏。此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第脚相连。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：1.25-37V DC；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：40V DC，最小输入-输 出电压差：3V DC；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：LT1

5、083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

6、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。2.3 DC-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。

7、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

8、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

9、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3.1.6 DC-DC变换模块：DC-DC变换模块部分我

10、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3.1.6 DC-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10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TDS1002 10

11、0M数字示波器； （2）数字万用表；（3）10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：10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5.555.550.530.000%10.9810.951.040.273%12.4112.391.190.161%15.6315.61.50.192%17.7917.751.720.225%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150、2

12、20、330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）150220330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.

13、00V100.199.30.799%96.43.696%12.08v100.199.80.300%97.72.398%输出纹波：35.2mV5.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+12Vb最大输出电流为 1.5Ac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

14、（2）稳流电源 在输入电压固定为12V 的条件下：a输出电流：420mA 可调b负载调整率1%（输入电压12V、负载电阻由200300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 10mAb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