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。并采

2、 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安全保

3、障。总体设计框架：如图 1.1所示。11 r过流保护市电变压器降压P绕组切换J1整流，滤波1 短路保护电压电流采集k稳压电源稳流电源DC-D破换器图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

4、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：-10-+85 C。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

5、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全 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

6、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

7、：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；电压

8、电流采集与显示模块；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3.1.1所示。图3.1.1绕组切换电路图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

9、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电过程使得电压慢慢上涨，实现了软启动的功台匕乓I匕。CON2D3 ICON2D3 IN牝叮图酒.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恒流源电路，性能优良。其电路图如图3.1.4稳流电源模块电路:稳流电源采用运算放大器和恒流源电路，性能优良。其电路图如图3.1.4所示。TL431高精度可调基准源做深反馈式rKDIrKDI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，禾U用运放做电压跟随器，匹配阻抗，可以很精准的测量

10、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。71TT-?n5f-irM10y/tlV?71TT-?n5f-irM10y/tlV?.二tELIINDLCIUH2-2ajH.5i.iv6 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，

11、首先初始化各个模块，然后采集电压电流信号，并显示。3S后执行重合闸操作。3S后执行重合闸操作。图3.2.1图3.2.1软件流程图4系统测试及数据分析4.1测试方法用数字万用变测试电压和电流值。利用EXCEL表格记录数据。用10Q大功率水泥电阻对稳压电源进行性能指标测试。4.2测试仪器普源TDS1002 100M数字示波器；数字万用表；10Q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：10Q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

12、.273%12.4112.391.190.161%15.6317.7915.617.751.51.720.192%0.225%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 Q、220 Q、330 Q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(mA150Q220 Q330 Q负载调整率第一组P 24.02P 24.02P 24.020.00%第二组20.0020.0020.000.00%第二

13、组r 14.90P 14.98P 14.980.00%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-H4- + 、，带载负载调整率(100mA9.00 V100.199.30.799%(100ma)3.696%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：

14、输出电压可调范围为+9V +12V最大输出电流为1.5A电压调整率w 0.2% （输入电压220V变化范围+ 15%20%下，空载到满载）负载调整率w 1% （最低输入电压下，满载）纹波电压（峰-峰值）w 5mV （最低输入电压下，满载）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:输出电流：4 20mA可调负载调整率w 1% （输入电压+ 12V、负载电阻由200 Q 300 Q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：输出电压为+100V，输出电流为10mA电压调整率w 1% （输入电压变化范围+9V +12V）负载调整率w 1% （输入电压+12V下，空载到满载）d .纹波电压（峰-峰值）w 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