一种电压、电流值实时变化可视化的稳压电源方案

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一种电压、电流值实时变化可视化的稳压电源方案

【导读】在实际的产品开发设过程中，为了检测产品的相关功能参数，通常需要了解电流的变化情况，而传统的电源不能提供实时电流参数，此时必须使用万用表等仪器来测量电流值，其过程繁琐，影响工程进度。

因此，迫切需要一种具备传统稳压电源的功能，同时能显示电压、电流参数的电源设备。本文将以此为出发点介绍一种可以观察电压、电流值实时变化的稳压电源。

本文介绍一种可视化直流稳压电源系统，系统以STC89C52RC单片机监测电压值，采用输出端压降方式计算电源输出电流，并将电源电压、电流值通过LCD液晶显示器实时显示。电源部分采用开关型稳压电路和线性稳压电路相结合的方法设计。

设计要求

可视化直流稳压电源主要给实验室等小功率电子设备提供工作电压，在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%～-20%条件下应具备以下功能：
3 v* u5 d- b- _- r, c①输出电压可调范围为5V～12V；
②最大输出电流为1.5A；
1 F( u5 n) t6 `& I③电压调整率≤0.2%；
④负载调整率≤0.1%；
5 L6 B/ Z! N: W& L: O& U⑤效率≥40%；
⑥具有过流及短路保护功能；
⑦实时显示电压、电流值。

可视化直流稳压电源设计的关键在于稳压以及电流、电压的精确显示。

设计方案

本系统以STC89C52RC为显示模块，主电路采用DC/DC变换器与线性调节器相结合的结构，既减小了输出纹波电流，又降低了系统的功耗。系统采用双积分A/D转换器ICL7135实现输出显示，单片机系统通过对输出电压的检测来读取显示电压和电流值，并通过用LCD液晶显示输出电压电流值。

图1：硬件主电路系统结构图

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硬件主电路系统的结构如图1所示。220V、50Hz电压通过变压器降压及整流滤波后得到所需直流电压，该电压通过开关电源电路实现电压调节。电子滤波器进一步降低开关电源的输出纹波。从电子滤波出来的电压经过精密电阻后即是输出电压。在精密电阻前后分别进行两次电压采样，经过A/D转换后送入单片机。单片机将输出采样电压作为系统的输出电压送入LCD上显示。同时单片机还将输出采样电压与比较采样电压进行减法运算，将压降值通过精密电阻转换为电流值也送入LCD显示。

硬件系统

电源主电路设计

主电路采用开关电源（DC/DC变换器）和线性调整晶体管相结合的结构，电路原理如图2所示。开关电源部分使用的是L4960芯片。该芯片最大输出电流为2.5A，输出电压范围为5.1～40V，具有较高的开关频率（典型应用为100kHz），效率可达90%，芯片内部具有过热保护、过流保护的功能，只需很少的外部元件就可构成大电流输出的开关电源。芯片的技术性能可以满足设计要求。

图2：电源主电路图

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220V、50Hz的电经变压器降压及整流滤波后得到大约24的直流电压，该电压加到开关电源的输入端。L4960的输出电压由下式计算：
Uo=UREF(1+R4/R3)=5.1×(1+R4/R3) (1)

系统要求输出电压能达到12V，考虑到线性调节部分的压降，该电路的最高输出电压设计在15V左右。反馈引脚（2脚）引入到电子滤波器（线性调节器）回路，根据输出电流和负载电阻的大小，自动降低输出电压来减小线性调节器的功耗。R4采用10K电位器调节，由式（1）不难算出，当R3=1K时，U0 = 5.1～15V。

图2中的电子滤波器（即线性调节器）由R6、C7和VT1组成。仅由R4和C7组成的RC低通滤波器虽然能减小U0输出的纹波电压，但其带负载能力很差。为此增加了一级射随器VT1，它采用电流放大系数的达林顿晶体管TIP122，来提高低通滤波器带负载的能力。图2中C7的大小对滤波效果影响显著，该值为100μF时纹波电流很小，但小电流输出时的动态响应较慢，故本设计中的C7取值为10μF。

需要指出，利用晶体管电子滤波器（亦称有源滤波器），可在同样滤波性能下使用较小的滤波的滤波电容C7，获得采用大电容的滤波效果。其等效电容约为β•C7，β为达林顿管VT1的电流放大系数。

该电子滤波器引入了对开关电源电压的控制功能，当负载电阻很小时需要较低的输出电压（如5V），如果U0保持15V不变，当输出电流很大时（如2000mA），VT1的功耗会达到24W，必须为VT1安装很大的散热片。加入VT2和R5后，当调整管VT1的C-E结压差过大（大约3个PN结压降之和，即 2.1V）时，会使VT2导通，产生附加的控制电流进入FB端，使U0自动下降，这时VT1的功耗将下降到大约4W，大大提高了电源的效率。

在系统的输出端设计了一个精密电阻，系统在精密电阻两端都对电压进行了采样，用于检测输出电压和电流。当然，系统对精密电阻的精度、功率、阻值温度系数和分布参数各项指标都比较高，否则电流检测准确度就会受到很大的影响。目前，金属箔精密电阻的精度可达10-6，温度系数可达±0.3×10-6/℃，分布电容可低于0.5pF，分布电感可低于0.1μH，已经可以满足设计需要。

显示部分电路设计

本设计的控制核心使用AT89C51单片机，由于外部设备大多采用串行接口，单片机的外围电路就十分简单，只要外接晶体振荡器和复位电路即可。

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图3：LCD与89C52的接口

显示电路的设计如图3所示，用89C52的P2口作为数据线，用P0.1、 P0.2、P0.3分别作为LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：
显示模块初始化，首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示。首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

图4：MAX232引脚功能图

通信电路模块

89C52内部已集成通信接口URT，只需扩展一片MAX232芯片将输出信号转换成RS-232协议规定的电平标准即可。MAX232是一种双组驱动器/接收器，如图4所示，每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V的TTL/CMOS电平。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。EIA接口把5V转换为 -8～-15V电位，0V转换为8～15V，再经RXD输出，接收时由RXD输入，把 -8～-15V电位转换为5V，8～15V转换为0V。

软件系统

图5：主程序流程图

系统主程序如下图5所示。系统初始化端口，扫描电源输出电压（即输出采样电压和比较采样电压），然后计算压降进而计算出电源输出电流，再将电压、电流输出到端口，调用显示子程序，显示电压、电流值。

显示子程序如下图6所示。显示子程序是针对ICL7135A/D与单片机接口电路设计的软件。程序开始后设计显示器，对LCDM1602B进行一次清屏，使其各个指令、数据寄存器的值进行清空，屏幕不显示任何字符。然后进行第一行位置的设置，显示对应的“电流”、“电压”等字符，再进行第二行位置设置，显示电压、电流值。

图6：显示子程序流程图

可视化直流电稳压源除了具备传统的稳压电源的功能之外更是增加了电压、电流的可视化功能，在使用过程中省去了检测电流的繁琐过程，简单、方便、快捷。本电源可以广泛地应用于各类电子实验室，尤其是企业研发部门的实验室，对于缩短产品研发周期有很积极的意义。

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