直流稳定电源综述

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

2、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

3、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

4、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： -1

5、0-+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

6、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

7、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。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

8、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 所示。图 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

9、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 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 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

10、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 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 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

11、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 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 100M 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

12、.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、220、 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24.0224.0224.020.00%第二组20.00

13、20.0020.000.00%第三组14.9014.9814.980.00%第四组10.0310.0310.030.00%第五组1.701.701.700.00%第六组0.700.700.700.00%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）9.00V100.199.30.799%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

14、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 1.5Ac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（ 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200 300 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