关于精密数控直流电源设计研究

关于精密数控直流电源设计研究

刘寰

身份证号码：1201051986xxxx2418天津市300384

摘要：在文章中，笔者将全面而深入的分析并研究精密数控直流电源的设计，供相关部门人员参考和借鉴。

关键词：精密数控；直流电源；设计

引言

随着科学技术的不断发展，电源作为电器设备的供电电路，也在不断的发展和完善中。电路系统需要有电源的带动才能使各模块运行起来，所以电源在电路系统中起到了至关重要的作用。电源的种类繁多，包括直流稳压电源、直流恒流电源、交流稳压电源等。数控电源是近年来不断研究和发展的新方向，它在传统电源的基础上增加了以单片机为基础的数字控制部分，克服了普通电源只能输出恒定电压值的缺点，即它能在其他硬件设备的支持下通过单片机编程来改变电压的输出范围和步进系数。由于具有灵活控制能力、良好的控制性能和强抗干扰能力等优点，使得数控电源成为电源发展的主流。

一、总体方案设计

精密数控直流电源总体方案设计框图如下图所示

工作原理：采用AC-DC主电路输出直流电压，通DC-DC斩波电路输出电压，并采用过流保护电路实现输出电流的保护。通过矩阵键盘给定输出电压值，通过I2C接口的数字电位器MAX5478控制DC-DC斩波电路的反馈端电压，达到调节输出电压的目的。输出电压经过采样，与矩阵键盘给定电压进行比较，实时改变数字电位器的阻值，构成闭环调节电路，该部分主要通过软件实现。闭环调节可提高稳压电源的带负载能力。

二、系统主电路设计

本系统中，主功率输出芯片采用串联型（Buck）集成开关电源芯片LM2576，它是一种以开关方式工作的直流稳压电源，具有高效率、体积小等特点，广泛用应于电子、通信设备等领域。

1.系统技术指标。第一，输出电压可调范围0-24V，调整步进0.1V；第二，可实时监测输出电压大小要求反馈DA精度在0.01V，并进行负反馈控制，保持输出电压稳定在设定值。第三，可实时监测输出电流大小，电流超过额定值时报警，并切断主电路供电。第四，人机界面要简洁、实用、便于操作。可实时显示电压电流相关信息。第五，PCB设计要满足规范、布局合理、不违反规则。

2.设计方案选择。满足以上指标的主电源电路可以选择线性模拟输出或者开关电源输出，采用线性电路，由于功率管时时刻刻都呈现导通状态，管子上功耗自然就大。24V3A输出时输出功率24*3=72W，线性电源效率在0.5以下，故变压器提供总功率在72/0.5=144W以上。大功率变压器价格自然就高，笨重不便于携带，且这对降低成本是不利的。本系统采用开关电源作为主电路。

3.数控电源主电路元器件的选取。第一，输入、输出电容CIN、COUT。选择低ESR的铝或钽电容作为旁路电容，防止在输入端出现大的瞬态电压。最终确定选择1000μF。第二，输出电容COUT。按照手册，输出电容作用与输出滤波并保持电路稳定。从纹波的角度讲电容的值越大、ESR值越小越好。本系统选择耐压值为50V的2200uf电容。第三，电感L1值的计算及选定。根据LM2576的数据手册给定，根据设计VOUT=0-24V，VIN(MAX)==36.4V,ILOAD(MAX)=3A,F=52Khz，参考数据手册，选择额定电流值为3A、电感值为150uh的磁芯电感。第四，续流二极管的选择参考数据手册选择耐压值为40V的快速恢复型肖特基二极管1N5822。

4.DC-DC斩波电路。DC-DC斩波电路采用LM2596开关稳压芯片设计。LM2596为降压型电源管理芯片，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，LM2596可用在高效率降压调节器、单片开关电压调节器、正负电压转换器等电源设备中。本文采用2片LM2596，一片用于单片机等数字控制系统的+5V供电，另一片用于0-24V可调输出。

5.过电流保护电路。过电流保护电路采用美信公司的电流检测放大器MAX4374。MAX4374是一种微功耗电流检测集成电路，内部除了电流检测放大器外，还集成了电压比较器及基准电压源，提高了电流检测精度，工作电流典型值为50μA，工作电压范围宽(2.7-28V)，输入失调电压低，最大值为1mV，电流检测精度为2%。可用于组成电流检测器、过流保护器等设备中，用于控制精密电源设备。

三、系统的硬件设计

1.系统总体结构。以单片机89C51为核心。包括四个功能模块：处理键盘数据，控制D/A，A/D输入输出。由键盘输入控制数据；单片机与DAC0832相连，实现将CPU运算预置数字大小转换成对应的控制电压；控制电压输出到稳压电路，使基准电压发生变化，经过稳压管调整后输出：ADC0809采样电阻信号，将模拟信号转换为数字信号，经单片机处理后，输出到LED。显示当前电压并与键盘输入的控制数据进行比较，做出相应反应。

2.电源部分。采用通常的桥式全波整流、单电容滤波、三端周定输出的集成稳压器件。输出电路由+15V稳压供给，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。所有的集成稳压器根据功耗均安装有充分裕量的散热片。

3.数/模转换模块。采用廉价的8位DA转换芯片。DAC0832是电流输出型8位数模转换器，采用倒T型电阻网络，片中没有运算放大器，输出是Iol，I02，在使用时需要外接运算放大器。电源电压可以从+5V到+15V，有模拟地AGND和数字地DGND，基准电压VREF，电流输出端Ioutl、Iout2，反馈电阻端胁，字节控制端ILE，片选端蕊，写入脉冲输入端—W—RI、W—R—2，传输控制端霜丽。DAC0832可以和89C51直接相接。1#DAC0832因丙和P2．5相连接El地址为0DFFFH，而2#DAC0832为0BFFFH。

4.模/数转换模块。用8位AD转换ADC0809芯片完成数据采集功能，做成闭环回路。ADC0809内部带有输出锁存器，它可以与89C5l单片机直接相连。初始化时，使ST和OE信号全为低电平。送要转换的哪一通道的地址到A，B．C端口上。在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ADC0809片选端与89C51的P2.7口相连，使用INO通道，故接口地址为7FF8H。

四、系统的软件设计

在单片机89C51中实现电源各模块的功能,并最终实现总体功能。第一，检测矩阵键盘的输入，确定输出电压值。第二，单片机周期性地对电源输出取样的信号进行转换，得到实时电压/电流数值，处理后经LCD1602显示。第三，循环方式对输出电压电流进行监控，如果超过限定值，自动断开主电路。需要注意：主程序中应该加上看门狗复位程序，防止程序长时间运行发生错乱。

五、系统测试

1.最大输出电流测试。最大电流测试结果表明：低压段的电流输出值很大，可以达到3.3A以上。高压输出时，电源大电流的性能有所下降。

2.负载调整率测试。得出结论：该电源的线性调整率较为平稳，在低压和高压输出段都保持着不错的带负载能力，高电压输出时负载调整率略有下降。

3.其他指标测试。主电源的效率：根据开关电源LM2576的数据手册，该芯片的效率固定为77%。整板功耗：经测量，空载时整板功耗为3W左右。

参考文献

[1]王伟.电力直流电源常见故障分析[J].电子世界.2017(08).

[2]泰克专为推出台式直流电源[J].电子质量.2010(01).

[3]泰克为中国推出首款台式直流电源系列[J].电子测量技术.2010(01).