串联稳压电源设计范文

导语：如何才能写好一篇串联稳压电源设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】multisim;稳压电源;仿真

Abstract：It is easy to change the parameter of the power circuit，it is intuitive to check waveform and numerical variation of the output voltage，which has high-accuracy simulation and without real hardware devices，improved efficiency of design，saving circuit cost，that is the series power supply circuit is simulated by multisim.

Keywords：Multisim;Power circuit;Simulate

1.引言

Multisim已经广泛应用于电子电路的分析和设计中，它不仅使得电路的设计和试验的周期缩短，还可以提高分析和设计能力，实现与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本。使用Multisim软件来仿真电路，具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点1。如今要用multisim设计一个单相小功率（小于100W）的直流稳压电源，电源的指标参数如下：（1）输入电压220V，50Hz;（2）输出直流电压范围：8V～13V，连续可调，额定输出电压为9V;（3）最大输出电流0.1A;（4）纹波系数低于0.1%。

从给出的条件可知，输入与输出之间电压值相差很大，故需要一个降压环节;经过降压以后的交流电还需变成单方向的直流电，这就是整流环节;但是其幅值变化很大，若作为电源去供给电子电路时，电路的工作状态也会随之发生变化而影响性能;需要利用滤波电路将其中的交流成分滤掉，留下直流成分;此时电源还受电网电压波动和负载变化的影响，故要稳压。所以要经过降压、整流、滤波、稳压四个步骤2，如图1所示。

图1 稳压电源的框图

又依据第4）点知电源的纹波系数很低，输出的电源的稳定性的质量很高（很低的纹波），又有较强的带负载能力，见第3）点，所以选用串联稳压电源电路来实现电路的仿真。串联稳压电源电路的结构见图2所示。

图2 串联稳压电源的结构

2.主要仿真元件的选取

2.1 变压器的选择

对比Ui=220V，Uomax=13V的值， 故选择降压后的电压值略大于13V，选择变压器的变比N=14，降压后电压U2≈16V。由于Multisim 对变压器的仿真效果不理想。所以直接选用U2≈16V，f=50Hz的交流电源AC_POWER，见图3。

2.2 二极管的选择

流过整流二极管的正向电流ID>0.45U2/R，反向峰值电压URM>2U2

即：ID>=0.01A，URM>45V

选用multisim中的1N4003，见图3。

2.3 电容大小的选择

在负载变化时，相同电容的滤波效果不一样;在电容变化时，相同负载时其滤波效果也是不一样。总体的选取原则是RLC[3]，其中T=0.02S，即RLC，在表1至表2中仿真了不同的RL和C时输出电压中纹波的大小。图4是不同电容时滤波的输出电压的仿真波形。

2.4 稳压电路中调整管稳压管等选择

稳压管选用UZ =4.9V的稳压管作基准电压，因为输出电压为7V～14V，故在稳压环节中取样部分应该是可调的，应该满足

选用RW=R上=R下=1K，所以：

调整管的选择：因为输出最大电流0.1A，所以在稳压环节中由于调整管是和负载时串联的关系，负载流过的最大电流为0.1A，出于裕量选调整管的集电极的额定电流IC应该大于0.3A，选用调整管型号为ICZ655，它与BC548A构成达林顿管，提高带负载能力，满足最大电流为0.1A的要求。

3.仿真电路的绘制和仿真结果的对比

3.1 仿真电路的绘制

依据上面的分析，绘制电路如图3所示。

图3 串联稳压电源电路的仿真图

3.2 仿真数据对比

（1）开关J1、J3、J4闭合，观测整流、滤波后不同RL、C时输出电压的纹波值和输出电压的值。

当RL=1k和200欧时，改变电容的值，测出输出电压值及其纹波值见表1和表2。

表1 RL=1k不同电容值对应的值

C 纹波电压 Uo RLC

1000 uF 16.125 mV 15.31V 1s

470uF 16.831mV 15.219v 0.47s

220 uF 176 mV 15.197V 0.22s

20 uF 1.5V 13.425V 0.02

表2 RL=200欧不同电容值对应的值

C 纹波电压 Uo RLC

1000 uF 301.021mV 14.788V 0.2s

470uF 394.109mV 14.744V 0.094s

220 uF 769.382mV 14.221V 0.044s

20 uF 3.63V 10.566V 0.004

比较表1和表2可知负载改变时，特别是负载较重时，其纹波明显加大，输出电压UO的大小也与负载有关，负载越大，输出电压平均值越低。

增加C的容量，可以使得滤波的效果得到改善，但是在满足RLC后，输出电压UO的大小纹波的变化并不很明显，所以选用470uF的电容进行滤波。

（2）开关J1、J3、J5闭合，观测整流、滤波、稳压后输出电压的纹波值和输出电压的值。见表3所示。图4是电容为470uF时稳压前和稳压后输出电压Uo的波形对比，从仿真结果看，稳压后的波形更加平滑稳定。

表3 断开R7，连接R5稳压后的数值

负载RL 纹波电源压 Uo

R=空载 337.111u 9.088v

R=1K 656.375u 9.088v

R=500 656.375u 9.088v

R=200 656.375u 9.088v

R=100 656.375u 9.088v

对比表1～表3的数据可知，经稳压后，输出电压Uo的较稳定，其中的纹波值明显减小，基本为一定值，即约为0.6mV 。

纹波系数=纹波电压/输出电压

=0.6m/9*100%

=0.006%<0.1%

图4 稳压前后波形对比

输出电压UO的仿真测试值的范围为：

UOMAX=13.082V≈13V，UOMIN=6.957V≈7V

4.结束语

利用multisim仿真电源电路，可以直观的观测电路中的电压参数值，方便的查看关键点的波形，能提高电路的设计效率，节省实物电路的制作时间和成本，故值得大力推广应用[4]。

参考文献

[1]力.基于multisim8的电压串联负反馈放大器仿真[J].电子科技，2013，26：140-142.

[2]陈梓城.模拟电子技术应用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]任俊园，李春然.电容滤波电路工作波形的multisim仿真分析[J].电子设计工程，2012，11：10-11.

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伍水梅 广东省国防科技技师学院 广州同和 510515

【文章摘要】

电源是电路的核心，是电子电路制作过程中必不可少的设备。一个好的直流稳压电源能让电路制作事半功倍，效果显著。一般直流稳压电源由变压器、整流、滤波、稳压等几个部分组成。本文介绍了一种简单实用的直流稳压电源的制作。

【关键词】

直流稳压电源；变压器；整流；滤波； 稳压；7806

【Abstract】

Power which is the core of the circuit is the essential equipment for making electronic circuit. It will get twice the result with half the effort if a good DC power is supplied for the production of circuit.Generally speaking,DC power supply is mainly composed of transformer, rectifying,filtering and voltage-stabilizing. This article describes a simple and practical construction of DC power supply.

【Keywords】

DC Regulated Power Supply;Transformer; Rectifying;Filtering;Voltage-stabilizing; 7806

0 引言

科技在不断进步，人们对小型电器的需求越来越大，但不管是那种电器设备， 电源都是必不可少的，而且越是高端的电器，对电源要求越是严格。电源技术核心是电能变换与处理，广泛应用于教学、科研等领域，而直流稳压电源是电子技术中常用的仪器设备之一，几乎所有家用电器和其它各类电子设备都在使用直流稳压电源，它占着举足轻重的位置，是大部分设备与电子仪器的重要组成部分，是电子科技人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。但实际生活中通常是由 220V 的交流电网供电， 直流电源需要通过电源系统将交流电转换成低电压直流电以供给各类电器设备使用。

直流稳压电源对电路调试、电路制作有决定性的作用，一个好的直流稳压电源，能让工作事半功倍。直流稳压电源系统主要由变压、整流、滤波和稳压四部分电路组成，其原理和制作过程比较简单， 如图1 所示。本文主要介绍一个能提供+6V、+1A 的串联型直流稳压电源的制作过程。

1 合适变压器的选择

变压器作为一个降压元件，主要是将初级电压（市电220V）转换为电路所需压降。根据电路要求提供+6V、+1A 的直流电源，所以在选择变压器的次级电压和次级电流时应适当增大，原则上次级电压应在所需电压的基础上多加3V，即次级电压应选6V+3V=9V，而次级电流应在所需电流的基础上乘以1.7 倍，即1.7A ；变压器的功率P 是初级线圈P1 和次级线圈功率P2 之和的一半，即：

P=（P1+P2）/2，

按照所选择的电压可计得：

P2=U2×I2=9×1.7=15.3W

P1=P2/ （0.8 ～ 0.9）=18W

这样可以选择变压器的参数是功率为18W，初级输入电压220V，次级输入电压9V。变压器应进行基本检测，如初级、次级线圈的分辨，最常用的方法有两个： 第一种是根据线圈电压与线圈匝数的比值V1:V2=n1:n2 可知线圈细的那边应为初级线圈（输入端）；另一种方法是用万用表的电阻档比较两线圈的电阻值，阻值较大的那一端为初级线圈（输入端）。

2 整流电路的配备

整流电路的主要作用是利用二极管的单向导通特性将变压器输出的交流电压转换为脉动直流，是直流形成的第一站，它所提供的电压比最大输出电压值

图4.2 1ms 调频周期信号频谱 要略高，所以在选用四个二极管时要注意耐压值应比变压器的次级输出电压大3 倍以上，耐流值应略大于变压器的次级电流。按照变压器所取的数据：U2=9V、I2=1.7A，所选取的二极管耐压应大于27V，耐流值最小应等于变压器的次级电流。二极管需要承受较大的反向电压，假如二极管反接，将会造成二极管损坏，电路无法工作等严重后果，因此安装前要对二极管进行检测，确保极性。二极管的检测：用万用表测量二极管的正反向电阻， 根据二极管的单向导通特性可以轻易的判断出小电阻的那次黑笔所接是正极，红笔所接是负极；对于外观完好的二极管也可以从银色圈圈在哪边从而判出负极。

3 选用不同的电容器实现滤波

滤波电路是利用电容器将整流电路所输出的脉动直流存在的交流成份滤掉， 使输出波形变得平滑。不同类型的电容器有着不同特性，在电路中能起不同作用， 因此不同的电路应该选择不同的电容器； 但不管何种电容器，在电路中承受的电压都不能超过它自身的耐压值，否则电容器将受到损坏，甚至产生“放炮”现象。根据变压器的次级电压等于9V，选择电容器的耐压值应为1.42 U2，即13V，电容器的容量应为（1500 ～ 2000）I2 （I2 为变压器次级电流），即电容器可选用3300 ～ 4700μF 的。在本文所设计的电路中，前面的滤波电容C1 可适当选大到3300μF 以上，稳压出来的滤波电容C2 就要相对减小，可选择几十微法的。利用万用表的电阻档检测电容的好坏，判断电容有无短路、断路和漏电等现象：按电容量的大小用万用表不同的电阻档，红、黑表笔分别接电容器的两引脚，在表笔接通瞬间观察表针的摆动，若表针摆动后返回到“∞”，说明电容良好，且摆幅越大容量越大；若表针在接通瞬间不摆动，则说明电容失效或断路； 若表针在接通瞬间摆幅很大且停在那里不动，说明电容已击穿（短路）或漏电严重；若表针在接通瞬间摆动正常，只是不能返回到“∞”，说明电容有漏电现象。对电解电容更要分清楚正负极，避免反接。

4 稳压电路的研制

稳压电路是当电网电压波动或负载发生变化时，能使输出电压保持稳定的电路。根据电路的连接方式可分为并联型直流稳压电源和串联型直流稳压电源。并联型直流稳压电源所用元器件少，较经济；输出短路时元器件不易损坏，但效率低，调压范围小，负载变化容易引起输出电压的变化，适用于负载电流变化不大或极易发生短路的场合。相比之下串联型直流稳压电源可用在负载变化较大，稳压性能要求较高，输出电压可调等场合，所以建议安装串联型直流稳压电源。常用的稳压元件有稳压管、LM317、CW78××× （CW79×××）。

稳压管是特殊加工而成的二极管，和普通二极管一样具有单向导通特性，主要工作于反向击穿区，起稳压作用，通常并在负载两端使用。当它两端所加的反向电压达到反向击穿电压时，管子导通，电流急剧上升，达到稳压效果。只用稳压管工作的稳压电路一般较简单，性能也较差， 适用于输出电流不大，稳压要求不高的场合。为改善稳压效果，稳压管常会和复合管一起用，但稳压效果还是不理想。

LM317、CW78×××（CW79×××） 同属三端集成稳压器，都是将稳压电路通过半导体集成技术压制在一块半导体芯片中形成集成稳压电路[9]。LM317 是一种常用的三端可调稳压集成电路，输出电流为1.5A，输出电压可在1.25 － 37V 之间连续调节，调整使用方便。CW78××× 系列为输出正电压的固定式三端稳压器， CW79××× 系列为输出负电压的固定式三端稳压器，两者都包含了输入、输出、公共接地端三个引出端，具有限流和热保护的功能，且根据后序××× 不同各有不同的的输出电压和输出电流，第一个“×” 代表额定电流--- 字母L 表示输出电流为100mA，字母S 表示输出电流为2A， 没有字母表示输出电流为1A ；后面两个×× 表示额定电压---05 表示额定电压为5V，12 表示额定电压为12V，如此类推。根据要求，本文选用7806 集成稳压器（如图5 所示），其额定电压+6V，输出电流1A ；若是79S12 则额定电压为-12V，输出电流2A。在使用所选IC 前，应注意区分7806 的三个管脚和判断其好坏。区分管脚时可将三端稳压器正面竖起来面对自己， 从左到右依次为输入端、接地端、输出端， 使用加电压法测试三端稳压器好坏，在7806 的1 脚和2 脚按极性加上直流电压（9—35V），用万用表测3 脚和2 脚的电压， 如果所测电压数值与稳压值相近（大小不超出2V），则说明稳压器性能好。

5 附加电路的选用

根据电路的要求不同，也为了让电路能更好的工作，可以在原电路的基础上增加一些冗余电路，如电源指示电路，输出电压显示电路，散热电路等。

当电路完成后应重新检查一次所有元器件，如二极管的方向、电解电容的极性、集成电路的各管脚等，在检查无误后则可以进行通电调试，接通开关后若指示灯显示正常，则+6V、1A 直流稳压电源即可正常使用，其原理图如图2 所示。

6 结束语

通过对直流稳压电源的分析制作，总结出直流稳压电源的制作应从选材入手， 根据电路要求进行电路设计。只要认真扎实的进行制作，就能从中悟出很多有关直流稳压电源的制作技巧，使一些积累问题迎刃而解，推导出开关型稳压电路、串联反馈式稳压电路、输出正负电压可调的稳压电路等的制作，提高创作水平。

【参考文献】

[1] 田智文. 一种带有保护电路的直流稳压电源的设计[D]. 西安：西安电子科技大学，2011

[2] 孟祥印，肖世德. 基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计[J]. 微计算机信息，2005，21（1）： 154-155，180

[3] 金钊. 直流稳压电源的性能测试与优化[D]. 威海：山东大学，2012

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关键词：补偿式；无触点；PLC；稳压器

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.176

1 目前市场同类产品研究及生产状况

稳压器的主要电路结构，从最初的机械碳刷式到无触点补偿式，经历了好几代的发展变化，但目前市场上的很多大功率交流稳压器仍是机械碳刷式结构。机械碳刷式稳压器有着许多缺点和不足，已远不能适应现代科技的需要。

国内关于交流稳压器的研究较为活跃，其研究的主要内容分为两个大的方向：

1.1 无触点补偿式大功率交流稳压器[1]

无触点补偿式大功率交流稳压器[1]提出通过改变变压器的绕组组合来改变输出电压：一种是纯补偿式，它的拓扑结构如图1.1所示。

通过双向可控硅的通断，控制补偿变压器组合的投入、退出或改变极性，从而达到稳定输出电压的目的。可控硅通过桥臂形式，直接接在相线与零线之间（220V），因而工作电压高，换档时产生的浪涌电流大；同时，这种电路在可控硅误导通时，很容易造成相线与零线之间短路，瞬间就会烧毁可控硅，故其可靠性很差。另一种是自耦调压补偿式[2][3]，这种结构通过控制双向可控硅的通断，来切换自耦变压器的抽头，从而改变补偿变压器补偿电压的大小和极性，达到稳定输出电压的目的。

1.2 高频开关型交流稳压器

高频开关型交流稳压器把先进的高频开关电源技术引入到交流稳压器中，从而可以取得减小体积和重量，具有效率高、响应速度快的优点[4]。但因其电路复杂，价格很高，难以做到大容量输出。

2 单相交流稳压电源的设计

要保证电源装置能做到精密地控制和可靠地运行，必须采用电力电子技术，在装置中使用电力半导体器件。基于此，设计了一种新型的采用PLC控制的无触点补偿式大功率交流稳压器。

2.1 稳压器电磁原理分析

2.1.1 电压串联补偿原理

电压串联补偿技术原理如图2.1所示。

由图2.1可知：， 为电网侧输入电压，为补偿电压，为稳压器输出电压。当低于时，调压装置使为正补偿；当等于时，调压装置不动作，为0补偿。当高于时，调压装置使为负补偿。稳压器[5]只需补偿电压设定值和实际值的偏差电压，而无需承担负荷的全部电压，采用电压串联补偿技术研制的稳压器即可做到。

2.1.2 主电路拓扑结构

稳压器的主电路拓扑结构如图2.2所示[6]：主电路由带分接头的自耦调压变压器和串联补偿变压器组成。

为通过智能控制系统控制的固态继电器模块。通过改变自耦变压器的变比而控制自耦变压器的二次电压，通过改变补偿变压器的一次绕组的接入点而控制补偿电压的正负。与补偿变压器 T2 一次绕组并联的RC 电路是为了抑制在换挡瞬间因补偿变压器 T2 一次绕组暂时开路而引起的冲击电流。

2.2 控制系统硬件组成

设计采用西门子S-200系列PLC、模拟量输入模块组成控制系统，触摸屏采用台达DOP-B系列触摸屏。控制系统的硬件组成框图如图2.3所示。

交流固态继电器介绍。交流固态继电器SSR[7]是一种无触点通断电子开关（Solid State Relays），由输入电路，隔离（耦合）和输出电路三部分组成。它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出控制端。当施加输入信号后，其中主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，因此又被称为“无触点开关”。

2.3 PLC系统设计与程序编写

2.3.1 PLC主程序编写

PLC主程序主要是对定时器、初始值、子程序读取、寄存器、计数等相关设置。程序开始运行时，先将档位实际输出初始值进行设置。通过初始化程序，将额定电压设定设为40V，阈值设为2V，并将所有输入输出端口和寄存器初始化。

初始化程序1：由于PLC量程为（-27648～27648），电压变送器的量程0～250V转化为0～10V，对应40V为4424，并将其赋值给VW500作为电压设定值；将1 给VW502默认T3定时器为1*10ms；VW504阈值为0.8V；VW506为档位判断前时间间隔；VW510为总周期。

初始化程序2：VW2为当前偏差；VW4为前挡偏差；VW6为执行档位；VW100为实际档位；VW98为周期次数；将其全部置0初始化。

初始化程序3：初始化输出端0100001，对应点数输出0挡。

电压判断程序流程图如图2.9所示。

通过设定初始值与采集值进行比较，判断偏差与零的大小，根据判断进行档位判断，从而调节比例大小，进而调节输出电压。

利用PLC控制和电力电子技术，实现了智能的单相交流稳压电源的设计，它容量更大，可靠性更强，精度更高。克服了机械触点式稳压器故障率高、噪声大、损耗大的缺点，适用于对环境要求较高、对电压稳定性要求高的用户。

参考文献：

[1]郭萍，李建华.无触点斩波式交流稳压器[J].江苏电器，2008（04）：45-48.

[2]冯刚，冯新民，王志勇.补偿式交流稳压器设计[J].江苏电器，2008（10）：49-52.

[3]江友华，顾胜坚，方勇.无触点交流稳压器的特性研究及功率流分析[J].电力电子技术，2007，41（08）：7-9.

[4]谭必礼.交流调压和稳压电源的发展动向[J].变压器，2004，41（05）.

[5]李海林，刘小虎.一种无触点补偿式交流稳压器的设计[J].船电技术，2010（04）：34-36.

[6]孙海涛，全永强.自动补偿式交流稳压电源的研制[J].变压器，2005，42（02）.

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关键词：创新教育环境氛围内容评价

如何在教学过程中实施创新教育，是每个职业教育工作者需要积极思考和亟待解决的课题。中职阶段是学生思维能力与思维品质形成的关键时期，如何在贯彻素质教育中培养学生的创新意识、创新思维和创新能力就显得尤为重要。

在电子课堂中加入实习知识，能够更好地实行创新教育，有利于激发学生的创新意识，磨炼创新品质，培养创新能力，更有利于学生练就在今后的工作和生活中解决新问题，创造新生活的能力。

一、激发新的知识运用模式的价值

笔者认为，在电子专业中加入实习的知识更加能够为探寻有利于激发创新思维的实习模式做准备，因为趋势是肯定的，那么其发展的轨迹就尤为重要。

学校可以着力培养学生团队意识，就要注重引导学生组建“家电维修小组”、“电子小制作兴趣小组”、“电子设计与制作竞赛活动”，等等，让学生在这些丰富多彩的集体活动中，自行组织、分工协作、自主自觉地去完成指定项目。由于学生有很大的自由度和自，各小组成员就发挥自己的长处，各显神通，思维很活跃，兴致也很浓。这样，学生的创新思维不仅得到了发展，团队精神、合作意识也得到了培养。而且实训过程中，可以通过各种各样的手段来进行学习的弥补，可以说结合了很多有利的元素，使得学生的知识更加牢固。

二、重视兴趣的重要性，在实习中因材施教

注重实习内容的渐进性和拓展性：由于职校学生的基础差，思想惰性大。要想学生一下子形成良好的创新思维和能力是不现实的。电子专业的实习项目往往包括多个内容。像一个电路往往由多个功能电路组成，若单纯让学生照着去做，学生弄不清电路结构，出现故障时无从下手，往往是畏难而退，反而产生消极作用，所以实习应该循序渐进，一个一个模块进行。譬如，在组装声光控开关时，可以先组装电源，在电源检测正常之后，再进行声控电路实习，然后再进行光控电路实习；这样环环把关，循序渐进，有利于让学生形成良好的思维习惯。组装完后，引导学生分析如何调整光控和声控灵敏度，还可以将电路再扩展衍生新的电路。这样避免了拔苗助长的恶果，而是让学生一步一个台阶在分阶段实习中获取知识和培养良好的思维和创新能力。

三、建立实习实训过程中的平台教育过程

教师可以根据任务教学法的一些新思路为实训打造新的平台和手段。

根据课本上的相关知识结合课外查找的相关资料，各小组同学将直流稳压电源的分类及作用展开讨论，并进行归类。

要求：能够与实际相结合，列举出不同种类的直流稳压电源有不同的应用。

对直流稳压电源的构成及各部分的作用、工作原理；串联型晶体管稳压电路的组成、工作原理及输出电压的计算各小组成员之间要会根据教材中的分析结合网上的多媒体课件来合作学习、研究探讨。

细分五部分：

1.低压电器的作用

2.整流电路的作用、分类、原理、计算

3.滤波电路的作用、分类、原理、计算

4.稳压电路的作用、分类、原理、计算

5.典型故障分析

查找直流稳压电源的实例，思考如何去市场上选购材料，去实验室动手制作。小组之间研究如何调试：

1.可通过电子制作指导书或者上网站去搜索，确定要做的直流稳压电源。

2.列好元器件清单，备齐材料和工具。

3.去实验室小组成员制作调试。

四、写好本次课题的总结报告

[资料]

1.书本材料：《电子技术基础》《电子电工技能基础》《电子电路实训》。

2.省略/info/185-1.htm>

Design/ebook-linear-power-circuits.htm

3.元器件获得：学校实验室库存

[评价]

题目一：对于直流稳压电源电路：

1.整流电路有哪几种？

2.直流稳压电源电路是如何分类的？

题目二：制作串联型稳压电源，并填写好报告。

五、结束语

通过本课题的学习，希望同学们对直流稳压电源有一个深刻的认识。通过资料的查找和教材的学习，同学们不难知道直流稳压电源的作用和分类，对于其构成部分的原理，部分同学学习起来可能存在一定难度，但是只要我们用心去探讨学习，有问题多思考，多查找资料，利用一切可利用的资源，同学们就会比较好地掌握该部分理论知识。作为职业类的学生也更要注重将知识应用于实践，为此同学们在动手制作直流稳压电源时要学会处理好将理论应用到实践的矛盾，遇到问题时要小组成员之间互相协作，探讨问题的解决方法，这将对我们继续学习打下良好的基础。

参考文献：

［1］郅庭瑾.教会学生思维.教育科学出版社，2004.172.

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关键词 三端可调正稳压器LM317;单片机AT89S51;模数转换芯片

中图分类号TM91 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)20-0060-02

0 引言

随着电力电子技术的迅速发展,直流电源应用非常广泛,小至家用电器的供电电源,大至大型发电厂、水电厂、超高压变电站、无人值守变电站作为控制、信号、保护、自动重合闸操作、事故照明、直流油泵、,各种直流操作机构的分合闸,二次回路的仪表,自动化装置的控制交流不停电电源等用电装置的直流供电电源。与此同时直流电源的好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能,目前,市场上各种直流电源的基本环节大致相同,都包括交流电源、交流变压器(有时可以不用)、整流电路、滤波稳压电路等。针对以上概述,我们设计了一套足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路,要求是输出电压连续可调;所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调;输出电压应通过AD转换电路以及单片机自动控制电路实现了输出电压动态实时显示能够适应所带负载的启动性能。

1 系统方案

1.1 设计方案

1)晶体管串联式直流稳压电路

电路框图如图1所示,输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压,取样电压与基准电压进行比较得到误差电压,对调整管的工作状态进行调整,从而使输出电压发生变化,与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反,从而保证输出电压UO为恒定值(稳压值)。

2)采用三端集成稳压器电路

如图2所示,他采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器,输出电压调整范围较宽,设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调,因要求电路具有很强的带负载能力,需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。

3)用单片机制作的可调直流稳压电源

该电路可通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值,从而改变调压元件的参数,使用软启动电路,获得3~26 V,驱动能力可达1.5A。其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分。

4)整流电路的方案论证

桥式整流电路利用变压器的一个副边绕组和4个二极管,使得在交流电源的正、负半周内,整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

5)滤波电路的方案论证

利用电容两端电压不能突变的特性,实现滤波。电容滤波电路简单,负载直流电压较高,纹波也较小,但输出特性欠缺,适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。

6)数显电路方案论证

利用单片机对ADC0809的接口技术可实现对输入模拟量的动态实时显示。

1.2 具体电路

说明:如图3原理图中包含了采样电路,基准电路,比较放大电路,调整电路以及过载电路;本基础电路的输出端(可看作C3两端)即可实现对电池等的充电功能,通过调节滑动变阻器R5的阻值,可实现对不同型号电池的充电功能;采用两个放大器,两放大器输出电压大小相等、符号相反;在两放大器输出端分别加一个电阻,保证最大输出电压;使用集成芯片DAC0832,ADC0809。

参考文献

[1]狄京等主编.电子工艺实习教程.中国矿业大学出版社.

[2]胡汉才编著.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.

篇6

关键词： 直流开关电源；开关电源；设计

1 直流稳压电源概述

直流稳压电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。从某种程度上可以看成是系统的心脏。电源的系统的电路提供持续的、稳定的能源，使系统免受外部的干扰，并防止系统对其自身产生的伤害。如果电源内部发生故障，不应造成系统的故障，而确保系统安全可靠运行。因此，人们非常重视系统直流电源的设计或选用。直流稳压电源通常分为线性稳压和开关稳压两种类型。

1.1 线性稳亚电源

线性稳压电源是指起电压调整功能作用的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源，期工作原理如图1。

它由50 工频变压器、整流器、滤波器以及串联调整稳压器组成。

线性稳压电源的优点是具有优良的纹波及动态响应特性。但同时存在以下缺点：输入采用50 工频变压器，体积庞大且和很重；电压调整器件工作在线性放大区内，损耗大，效率低；过载能力差。

线性电源主要应用在对发热和效率要求不高的场合，或者要求成本及设计周期短的情况。线性电源作为板载电源广泛应用于分布电源系统中，特别是当配电电压低于40V时。线性电源的输出电压只能低于输入电压，并且每个线性电源只能产生一路输出。线性电源的效率在百分之三十五到百分之五十之间，损耗以热的形式耗散。

1.2 PWM开关稳压电源

一般将开关稳压电源简称开关电源，开关电源与线性稳压电源不同，它是起电压调整功能作用的器件，始终工作在开关状态。开关电源主要采用脉宽调制技术。

开关电源的优点；

1）功耗小、效率高。电源中开关器件交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度提高，可达到百分之九十到百分之九十五。

2）体积小、重量轻。开关电源效率高，损耗小，则可以省去较大体积的散热器；隔离变压用高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积大为减小。

3）稳压范围宽。开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过调节占空比的大小来补偿，这样在工频电网电压变化较大时，它仍然能保证有较稳定的输出电压。

4）电路形式灵活多样。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同的应用场合的开关电源。

开关电源的缺点主要是：存在开关噪声大。在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采用一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机的正常工作。此外，这些干扰还会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备、和家用电器收到干扰。因此设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。

PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活等特点。因此，在便携式产品、航空和自动化产品、仪器仪表以及通讯系统等，要求高效率、体积小、重量轻和多组电源电源输出的场合，得到了广泛的应用。但是开关电源的成本高，而且需要开发周期较长。

2 开关电源的设计

2.1 开关电源的工作原理

开关电源主要采用直流斩波技术，即降压变换、升压变换、变压器隔离的DC/DC变换电路理论和PWM控制技术来实现的。具有输入、输出隔离的PWM开关电源工作原理框图，如图2所示。

50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波；然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十千赫或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路；最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。在直流斩波控制中，有定频调宽、定宽调频和调频调宽3种控制方式。定频调宽是保持开关频率（开关周期T）不变，波形如图3所示。

通过改变导通时间高。而定宽调频则是保持导通时间T on不变，通过改变开关频率，来达到改变占空比的一种控制方式。由于调频控制方式的工作频率是不固定的，造成滤波器设计困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。

2.2 开关电源的主要性能指标

开关电源的质量好坏主要由其性能指标来体现。因此，对于设计者或使用者来讲，都必须对其内容有一个较全面的了解。一般性能指标包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠性、安全性以及生产成本等。这里仅介绍常见的电气指标。

2.2.1 输入参数

输入参数包括输入电压、交流或直流、频率、相数、输入电流、功率因数以及谐波含量等。

1）输入电压：国内应用的民用交流电源电压三相为380V，单相为220V；国外的电源需要参出口国电压标准。目前开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相交流85～265V，这一范围覆盖了全球各种民用电源标准所限定的电压，但对电源的设计提出了较高的要求。输入电压范围的下限影响变压器设计时电压比的计算，而上限决定了主电路元器件的电压等级。输入电压变化范围过宽，使设计中必须留过大裕量而造成浪费，因此变化范围应在满足实际要求的前提下尽量小。

2）输入频率：我国民用和工业用电的频率为50Hz，航空、航天及船舶用的电源经常采用交流400Hz输入，这时的输入电压通常为单相或三相115V。

3）输入相数：三相输入的情况下，整流后直流电压约是单相输入时的1.7倍，当开关电源的功为3～5kW时，可以选单相输入，以降低主电路器件的电压等级，从而可以降低成本；当功率大于5kW时，应选三相输入，以避免引起电网三相间的不平衡，同时也可以减小主电路中的电流，以降低损耗。

4）输入电流：输入电流通常包含额定输入电流和最大电流2项，是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元器件的设计依据。

5）输入功率因数和谐波：目前，对保护电网环境、降低谐波污染的要求越来越高，许多国家和地区都已出台相应的标准，对用电装置的输入谐波电流和功率因数做出较严格的规定，因此开关电源的输入谐波电流和功率因数成为重要指标，也是设计中的一个重点之一。目前，单相有源功率因数校正（FPC）技术已经基本成熟，附加的成本也较低，可以很容易地使输入功率因数达到0.99以上，输入总谐波电流小于5%。

2.2.2 输出参数

输出参数包括输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳压精度、稳流精度、输出特性以及效率等。

1）输出电压：通常给出额定值和调节范围2项内容。输出电压上限关系到变压器设计中电压比的计算，过高的上限要求会导致过大的设计裕量和额定点特性变差，因此在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。相比之下，下限的限制较宽松。

2）输出电流：通常给出额定值和一定条件下的过载倍数，有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空载，此时应指定电流下限。

3）稳压、稳流精度：通常以正负误差带的形式给出。影响电源稳压、稳流精度的因素很多，主要有输入电压变化、输出负载变化、温度变化及器件老化等。通常精度可以分成。3项考核：① 输入电压调整率；② 负载调整率；③ 时效偏差。同精度密切相关的因素是基准源精度、检测元件精度、控制电路中运算放大器精度等。④ 电源的输出特性：与应用领域的工艺要求有关，相互之间的差别很大。设计中必须根据输出特性的要求，来确定主电路和控制电路的形式。⑤ 纹波：开关电源的输出电压纹波成分较为复杂，通常按频带可以分为3类： 高频噪声，即远高于开关频率 的尖刺；开关频率纹波，指开关频率 附近的频率成分； 低频纹波，频率低于的 成分，即低频波动。

对纹波有多种量化方法，常用的有纹波系数、峰峰电压值、按3种频率成分分别计量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是电源的重要指标，它通常定义为η=Po/Pi×100%。式中，Pi为输入有功功率；Po为输出功率。通常给出在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。对于开关电源来说，效率提高就意味着损耗功率的下降，从而降低电源温升，提高可靠性，节能的效果明显，所以应尽量提高效率。一般来说，输出电压较高的电源的效率比输出低电压的电源高。

2.2.3 电磁兼容性能指标

电磁兼容也是近年来备受关注的问题。电子装置的大量使用，带来了相互干扰的问题，有时可能导致致命的后果，如在飞行的飞机机舱内使用无线电话或便携式电脑，就有可能干扰机载电子设备而造成飞机失事。电磁兼容性包含2方面的内容：

电磁敏感性、电磁干扰分别指电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。通过制定标准，使每个装置能够抵抗干扰的强度远远大于各自发出的干扰强度，则这些装置在一起工作时，相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小，从而实现电磁兼容。

因此，标准化对电磁兼容问题来说十分重要。各国有关电磁兼容的标准很多，并且都形成了一定的体系，在开关电源设计时应考虑相关标准。

3 开关电源的设计步骤

开关电源的设计一般采用模块化的设计思想，其设计步骤是：

1）首先从明确设计性能指标开始，然后根据常规的设计要求选择一种开关电源的拓扑结构、开关工作频率确定设计的难点，依据输出功率的要求选择半导体器件的型号；

2）变压器和电感线圈的参数计算，磁性材料设计是一个优质的开关电源设计的关键，合理的设计对开关电源的性能指标以及工作可靠性影响极大；

3）设计选择输出整流器和滤波电容；

4）选择功率开关的驱动控制方式，最好选用能实现PWM控制的集成电路芯片，也可利用单片机实现PWM控制；

5）设计反馈调节电路；

6）根据设计要求设计过电压、过电流和紧急保护电路；

7）根据热分析设计散热器；

8）设计实验电路的PCB板和电源的结构，组装、调试，测试所有的性能指标；

篇7

关键词：硬开关； 软开关； 零电流； 零电压； 准谐振

中图分类号：TN710-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0006-02

High-frquency Switching Power Supply Converter Based on Quasi-resonance Soft-switch

LIANG Tao

(Department of Electrical Engineering, Guangxi Mechanical and Electrical College, Nanning 530007, China)

Abstract： The tradition high-frequency switching power supply transfer circuit uses the hard-switch technology, whose the circuit power consumption is great, the withstanding voltage and the current stress are high. In order to overcome the hard switch technology negative factors caused by the forced shutoff when electric current goes through the switching valve and the forced breakover when the switching valve has voltage, the quasi-resonance soft switch technology is adopted, namely zero current switch (ZCS) quasi-resonant converter and zero voltage switch (ZVS) quasi-resonance converter. The resonant loop is composed of the inductance and electric capacity. It allows the breakover when the switching valve is at zero voltage or the shutoff when the the switching valve is at zero current by the aid of the energy exchange between the inductance, electric capacity to achieve the reduction of switching power consumption and the electromagnetic interference. The soft switch technology is widely used in new switching power supply.

Keywords： hard-switch; soft-switch; zero current; zero voltage; quasi-resonance

在高频开关电源的DC-DC变换电路中，功率开关管在控制信号强制控制下，有电压时被开通，有电流时被关断，这种工作方式称为硬开关。传统的PWM开关方式属于硬开关技术，它的缺点显而易见。

(1) 开关管无论在导通或截止时，电压和电流均不为零，功率器件承受的电压、电流应力大，开关管存在功耗，且开关频率越高，功耗愈大。

(2) 开关管关断时，电路中的感性元件和容性元件会产生幅值很高的尖峰电压和尖峰电流，对开关器件造成危害，且开关频率越高，损害越大。

(3) 随着工作频率的增高，会产生严重的电磁干扰，对自身电路及电网和周边电子设备造成影响。

理想的关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，关断损耗近似为零。因为功率开关管关断之前，电流已下降到零，这就解决了感性关断尖峰电压问题，而理想的导通过程是电压已先降到零，电流再缓慢升到断态值，导通损耗近似为零。功率开关管结电容上的电压也为零，解决了容性导通尖峰电流问题。为了解决硬开关方式带来的各种不利因素，采用了多种措施。其中，准谐振型开关方式属于软开关方式，利用谐振技术，使功率开关管实现了零电压或零电流的导通和截止，基本消除开关损耗。谐振型开关方式可分为零电流开关型（ZCS）和零电压开关型(ZVS)；按控制方式分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲相移控制（PS）。实际应用中，PWM软开关变换器多用于小功率DC-DC开关稳压电源，PS软开关变换器则用于中大功率DC-DC开关稳压电源中。

下面介绍几种常见的软开关变换器。

1 零电流开关准谐振变换器

图1是零电流开关准谐振变换器（ZCS-QRC）基本电路。谐振电容C与整流二极管D并联，谐振电感与有源开关（晶体管或MOS管）S串联。S在零电流时接通和关断，而D在零电压时接通和关断。由于L和C谐振，通过S的电流发生振荡并归零，这就导致了自然换向。该电路特点是减少了关断时的损耗，但存在电容在接通时的损耗，电容储存的能量在S管导通时消耗在S管内，且与S管开关频率成正比。

2 零电压开关准谐振变换器

图2是零电压开关准谐振变换器（ZVS-QRC）基本电路。谐振电容C与有源开关器件S并联，谐振电感L与D串联，S刚关断时，电容C上的电压逐渐上升，并与电感L产生谐振，因此S是在零电压时接通和关断，而整流二极管D是在零电流时接通和关断。该电路特点是开关器件的电压被整形成准正弦波，为开关接通创造零电压条件，减少了接通时的损耗。存在的问题是开关管还存在过剩的电压应力，这种应力与负载大小成正比，此外整流二极管结电容与谐振电感引起的谐振会产生电磁干扰。

3 零电压开关多谐振变换器

图3是零电压开关多谐振变换器基本电路。谐振电容C同时与开关管和二极管并联，这样S和D都可以在零电压进行转换，这个电路的好处是多谐振电路把开关管输出电容、二极管结电容、变压器漏感等寄生参量吸收到谐振电路中，极大降低了开关损耗和噪声。该电路的缺点是开关管、整流二极管承受较大的电压和电流。

4 软开关脉冲宽度调制器

软开关脉冲宽度调制器是由软开关脉冲宽度调制器ZVS（或ZCS）-QRC与PWM控制的无隔离变压器式功率变换器组合而成的。图4中，当有源开关器件S与有源辅助开关器件S1同时接通时，C和L构成准谐振，当S接通，S1关断时，电感L续流。这样，在一个周期内，一段时间工作在准谐振状态，另一段时间工作在PWM状态。该电路特点是主开关S承受电流（或电压）应力小，所以使用性能较上述电路好。

5 PS软开关变换器

PS软开关变换器也称脉冲移相控制变换器，常用在大、中功率开关电源中，是实现高频化的理想拓扑之一。大功率移相控制桥式变换器由4个功率开关器件组成全桥电路的桥臂，每个开关管导通时间固定不变，同一桥臂的两只开关管相位相差180°，这样只有相对的2只开关管都导通，变换器才有功率输出。该电路利用功率开关管输出电容（C1～C4）和输出变压器的漏电感（L）作为谐振元件，使变换器的4个开关管依次在零电压下导通，实现软开关控制。

6 结 语

高频开关电源大量应用于各种用电设备，传统的功率变换器采用硬开关技术，其缺点显而易见。软开关变换器技术有多种设计方式，目的是最大程度地解决硬开关技术缺陷，它是一种行之有效的电路。

参 考 文 献

［1］ 曲学基，王增福，曲敬铠．新编高频开关稳压电源［M］．北京：电子工业出版社，2005．

［2］ 沙占友．开关电源优化设计［M］．北京：中国电力出版社，2009．

［3］ 张兴柱．开关电源功率变换器拓扑与设计［M］．北京：中国电力出版社，2010．

［4］ 刘凤君．现代高频开关电影技术及应用［M］．北京：电子工业出版社，2008．

［5］ 刘胜利．高频开关电源新技术应用［M］．北京：电力电子出版社，2008．

［6］ 陈庭勋．非线性滤波电感在开关电源中的作用［J］．电源技术应用，2006（6）：6-10．

［7］ 李定宣．开关稳压电源设计与应用［M］．北京：中国电力出版社，2006．

［8］ PRESSMAN A I, BILINGS K, MOREY T．开关电源设计［M］．北京：电子工业出版社，2010．

［9］ 钱振宇．开关电源的电磁兼容性设计与测试［M］．北京：电子工业出版社，2006．

篇8

浙江万里学院 郑健儿 祝 丽

【摘要】本文介绍的是两轮电动小车自动平衡控制系统的电路设计方案，控制系统包括K60单片机主控模块、电源模块、电机驱动模块和传感器模块，文章阐述了直立小车控制电路的具体设计方法。

【关键词】两轮直立车;控制系统;电路设计

引言

随着科学技术的发展，民众的生活水平也日渐提高，两轮直立车将会越来越受大家的喜欢。本文结合大学生飞思卡尔智能车竞赛项目，介绍了一种直立小车控制系统电路设计的方案，小车由两个直流电机作为驱动，通过速度编码器、加速度计和陀螺仪等传感器来检测车身的运动状态，通过单片机的信号处理实现小车自平衡状态。

1.系统控制任务分析

两轮直立小车控制系统的控制任务可以分解成以下三个方面[1]：（1）车身平衡控制：通过两个电机正反向运动产生的回复力保持车身直立平衡状态;（2）行进速度控制：通过改变车身的前倾角度从而改变电机的转速，来实现小车行进的速度控制;（3）小车方向控制：通过控制两个电机之间的转动差速实现小车转向的控制。

三个分解后的任务虽然可以通过单片机独立进行控制，但由于最终都是对同一个控制对象（两个电机）进行控制，所以它们之间又是相互关联和协调工作的。根据小车自动平衡控制的需求，系统电路需要单片机主控模块、电机驱动模块、电机转速检测模块、车身倾斜度检测模块、车身运动状态检测模块和电源模块等几部分电路构成，控制系统的框图如图1所示。

图1 直立小车自动平衡控制系统框图

2.系统硬件电路设计

2.1 稳压电源模块

小车用7.2V锂电池供电，根据各模块电路的需求，整个系统需要使用的电源电压有5V和3.3V两种。直流稳压电源常用的有串联型线性稳压电源和开关型稳压电源两大类，线性稳压电源具有波纹小、电路结构简单的优点。此5V的稳压选用LM2940稳压芯片，3.3V稳压选用AMS1117 芯片设计。具体电路如图2所示。

2.2 直流电机驱动模块

小车的直立平衡和行进、拐弯等运动完全由两个电机的速度和转向来决定，在控制系统中电机的加减速和正反向运动是由单片机输出的PWM信号来控制的，但由于一般单片机I/O口输出信号的电流较小，不能直接驱动直流电机，通常需要搭建H桥电路或用专门的驱动芯片来实现。BTS7970是一款性价比较高的电机驱动芯片，其驱动能力和响应速度都能满足控制要求。一块驱动芯片只能提供电机一个方向的PWM控制信号，因此需要用四片BTS7970驱动芯片来驱动两个电机。小车上安装有测速编码器，通过速度的反馈，再经过单片机PID算法输出相应的PWM信号，对电机的转速进行有效调节，从而控制小车的运行状态。单个电机的驱动电路原理图如图3所示。

2.3 传感器检测电路设计

为保证小车的直立平衡控制，需要对车身的运动状态进行监测。系统选用ENC-03陀螺仪传感器和MMA7361加速度传感器二合一的模块，实现对小车车身状态的实时监控。该模块自带有硬件滤波功能，由该模块的J口直接输出小车的角度值，不用通过角速率对时间的积分来获取，也就是说软件方面我们只需要对采集回来的角度信号进行简单的处理，就能得到相应的角度变化，该模块的X口输出的是实时的角速度值，采集回来的数据经过简单的处理就能得到相应的角速度变化。角度数据采集的准确与否，直接关系到直立环节的直立效果，而在直立环节，速度环节，转向环节中，直立环节又是另外两个环节的基础，所以角度数据采集显得尤为重要。传感器模块的电路原理图如图4所示。

2.4 系统主控制器

控制系统的主控制器选用飞思卡尔公司的MK60DN512VLQ10单片机，该单片机是一款高性能的32位处理器。利用该单片机内置的A/D转换模块以及PWM模块、TIM定时器模块、PIT周期性中断定时器等模块。由单片机采集加速度传感器和陀螺仪的信号以及对这些信号的处理和相关运算，将PID运算的结果传递给PWM模块，最后由PWM模块输出信号控制电机的转速及转向以使小车保持直立，并能按一定路径自动行驶。

3.系统主要功能的软件设计

3.1 平衡控制算法

PID算法是自动控制系统经典的理论，小车的平衡控制在软件部分处理时用到的是PD算法，系统直立控制的输入为系统倾角angle和角速度angle_dot，在直立控制函数中，把系统目标倾角减去系统实际倾角，得到系统倾角的误差，把此误差乘以直立控制的P参数，把此乘积直接作为电机的PWM输出，使系统向倾角误差减小的方向运行，以实现系统倾角的闭环控制[2]。另外，由于P参数过大后会导致系统超调而产生系统震荡，甚至使系统失去控制。为了抑制这种震荡，再引入D参数，把D参数直接乘以系统角速度，再与P参数与角度误差的乘积相加，即可实现抑制系统震荡的效果[3]。具体函数代码如下：

angle_err = pid_Angle.SetPoint -angle;

angle_pid_out=pid_Angle.Proportion*angle_

err+pid_Angle.Derivative*（-angle_dot）;

3.2 小车速度控制

要提高系统运行的稳定性，速度的控制也非常重要。速度控制的软件部分采用了增量式的PID算法，增量式PID的优点是只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小，这非常适用于像小车这种大动态、容易产生检测误差的环节[4]。P参数保证系统反应的灵敏度，I参数保证速度控制的精度，D参数抑制速度控制的超调现象[5]。

以下是速度PID控制的具体函数代码：

int IncPIDCalc（int NextPoint）

{

register int iError， iIncpid;

iError=sptr->SetPoint-NextPoint;

iIncpid=sptr->Proportion*iError-sptr->Integral*

sptr->LastError+sptr->Derivative*sptr->PrevError;

sptr->PrevError=sptr->LastError;

sptr->LastError=iError;

return（iIncpid）;

}

4.结语

采用飞思卡尔K60单片机设计平衡小车控制系统，不仅采集效率高，而且传输速度快，控制实效性好。同时该系统还具有简单易用、小型、可靠等优点，对一般工业控制系统的设计有一定的指导和借鉴作用，在两轮直立车飞速发展的今天具有非常广的应用前景。

参考文献

[1]卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]尹怡欣，陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]冯智勇，曾瀚，张力，等.基于陀螺仪加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南大学学报（自然学版），2011，36（4）：137-141.

[4]谢世杰，陈生潭，楼顺天.数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用[J].现代电子技术，2004，27（2）：59-61.

篇9

关键词：交直流电源；PID；程控直流电子负载；恒流源

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0003-02

直流电子负载是一种能以手控或程控方式吸收电能的仪器，起到可变电流吸收器、可变电源电阻器或分路电压调节器的作用，当它吸收可变电流时，将维持某一固定电压。系统主要工作于恒压、恒流和恒阻三种工作模式，可用于交直流电源的测试。

1 总体设计方案

整个系统由单片机控制模块、电子负载模块、功率驱动模块、采样模块、显示模块和电源模块构成。单片机采用MSP430，较之51系列具有I/O口多、内部集成AD模块、低功耗等优点。基本的工作原理是：通过键盘设置功率驱动模块使得电子负载工作在恒流状态下，通过一个0.05 Ω的电阻与3DD15D串联来对电流进行采样。将流过电阻的端电压经过INA282组成的电流采样模块后送到MSP430单片机。采用0.05 Ω的小电阻与3DD15D串联使得电阻的分压减小，从而将系统的误差降到最小。基于单片机的恒流工作模式的直流电子负载原理框图如图1所示。

此方案采用单片机编程控制整个系统，电子负载模块采用晶体三极管3DD15D与取样电阻组成。由OPA2227组成的功率驱动模块通过单片机的控制使得3DD15D工作在一个设定的恒流条件下。通过一个0.05 Ω的电阻与3DD15D串联。将电阻两端的电压经过INA282放大后通过单片机采集，由单片机计算出流过电子负载的电流并经LCD1602显示。将功率器件的端电压经过由OPA2340与OPA2227组成的电压衰减模块后送入单片机进行采集，由单片机计算出功率器件的端电压并送入LCD1602显示。

2 单元电路设计

单元电路设计主要包括以下几个部分。

2.1 电流采样模块

采样电流模块的电路如图2所示。

采样电流模块实现对功率器件3DD15D的端电流的采集，本模块先利用TI公司的INA282芯片对采样电阻R0两端的电压放大50倍，INA282具有精度高的优点（偏移电压±20 μV增益误差为±1.4%，偏移漂移为0.3 μV/℃）。再将放大的电压送入AD转换将根据电阻值与流经电阻的电压值计算出采样电流的大小并送入LCD1602显示。

2.2 电压采样模块

采样电压模块的电路如图3所示。采样电压模块采用OPA2227与OPA2340芯片组成，OPA2227进行两路的输入输出，OPA2227是具有高精度低噪声运算的放大器，采样电压电路中采用的电阻都为精密电阻，使得电路的精度更高从而满足要求的技术指标。OPA2227通过双电源±2.5 ～±18 V数据采集，增益宽带为8 MHz，OPA2340为单电源双路CMOS运放，单电源2.7～5.5 V驱动AD转换器，增益宽带为5.5 MHz。电压采集模块首先通过OPA2340对功率器件3DD15D的端电压进行输入数据的采集，然后对采集到的电压进行输出。输出的电压送入到由OPA2227组成的高精度低噪声运放，通过R2与R4对输出的电压进行1/2衰减，将衰减后的电压送入OPA2227处理后送入单片机模块进行数据的处理并送入LCD1602显示。

2.3 功率驱动部分

功率驱动模块由OPA2227芯片与三极管9014构成。通过键盘按键设置一个恒定的电流（恒流工作模式的电流范围为100～1 000 mA），通过控制三极管的导通情况控制流过电子负载部分的电流，单片机将这个信号传输给OPA2227，由OPA2227和三极管9014组成的功率驱动电路将设定的电流值稳定的出入给电子负载部分，从而使得电子负载部分工作在一个可以由人为设定的一个稳定的电流状态下。

2.4 电子负载及恒流电路部分

电子负载模块电路如图4所示。

电子负载模块由晶体三极管3DD15D和采样电阻R0串联构成。通过单片机控制由OPA2227和三极管9014组成的功率驱动模块从而调节流过电子负载的电流。通过控制三极管的导通情况控制流过电子负载部分的电流，3DD15D的参数为BVCEO=200 V，BVCBO=300 V，PCM=50 W，ICM=5 A，3DD15D的特性使得对电路中的电压具有稳压功能。采样电阻R1是采用0.05 Ω精密贴片电阻，0.05 Ω的电阻使其对电路的分压能力减弱，从而减小了电路中的误差，使得电子负载部分的功耗大大减低，以达到要求的技术指标。

2.5 单片机控制模块与显示部分

单片机是本系统的核心控制部件，它既协调整机工作，又是本系统的数据处理与控制中心。本系统采用MSP430F449单片机为核心，4X4独立矩阵键盘，LCD1602液晶显示。单片机通过A/D，D/A等器件对信号进行信号的采集、处理和输出，从而对输出电流值进行控制校正，达到较高精度。MSP430系列单片机较之51系列单片机具有计算速度快、I/O端口多、低功耗等特点。

3 单片机软件设计

3.1 软件设计

为了方便编写和调试，我们采用了模块化的编程方法，整个程序分为若干子程序。液晶显示子程序：显示当前模式，设定输出值及实际端电压电流；键盘处理子程序：模式切换，输出值的设定及步进；数据处理子程序：根据设定值换算出调整值，写入D/A的值，根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值；将调整值送入D/A；进行A/D采样。

3.2 主程序的流程图

主程序流程图5所示。

4 测试结果

4.1 高精度大电流稳压电源性能指标测试

+5 V输出稳压电源测试数据如表1所示。

4.2 电子负载电压测试数据

电源电压：万用表测的电源电压为5.087 V，控制系统测得的值为2.510 V。开路状态下测得电流为0，恒流模式下电子负载电流测试数据如表2所示。

5 结 语

恒流工作状态不论输入电压如何变化，流过该电子负载的电流值恒定且可设定。受实验室环境与器材限制，存在一定的误差。设计的以MSP430单片机为控制核心的电子负载，能够直接检测被测电源的电流值、电压值。负载参数可以设定，且各个数据均能直观的在LCD上显示。

参考文献：

[1] 翟玉文，艾学忠.电子设计与实践[M].北京：中国电路出版社，2005.

[2] 何希才.新型集成电路及其应用实例[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 孙肖子，邓建国.电子设计指南[M].北京：高等教育出版社，2006.

篇10

【关键词】列车电源；供电系统；车载视频监控

1.引言

由于列车的特殊环境关系，许多用电设备正是因为电源部分的原因无法在列车上正常工作，车载监控仪虽然有着宽电压输入但是由于输入电压低也无法工作。针对此种情形，必须用可靠的系统来完成电源的转换管理工作。本文提供的电源的系统主要用于列车车载视频监控，对于其它类似的产品设备也有一定的适用性。

国内列车都采用DC110v辅助供电系统(如图1所示)为列车上的设备供电，该供电系统同时用于对蓄电池进行充电。国内自行研制开发的电力机车和内燃机车的蓄电池是列车的辅助供电系统的主要组成部分，机车没有从电网取电前，采用蓄电池为机车辅助回路供电，完成各种辅助回路机构的动作，如控制和保护装置的运行[1]。由于供电系统的复杂性，列车上的用电设备多，电路复杂，所以对电设备对可靠性、稳定性要求比较高，因此设别的电源系统必须提供稳定、可靠的电压、电流。

2.设计原理

视频监控仪从列车辅助供电系统取电经过处理后给电源模块VI-JT1供电，该模块输出稳定的12V电源。12V电源分为两部分，一部分供给车载的摄像头，另外一部分供给主板。主板上的12V经过变压处理后得到可以的到5V电源，用于供给一部分芯片和经过变压处理后可以得到3.3V、1.8V、1.2V的电压后给主板上各个芯片进行供电(如图2所示)。

在电力机车上，供电品质比较差，表现在两个方面：电力机车供电电网电压波动大，气额定电压为单相交流25kv，而实际电压在18-31kv范围波动；电网电压有机车内变压器降至单相交流220V，相应的波动范围为160v-270v。220v的交流电经过降压整流处理后为110V直流电源，该直流电源的波动范围70v-160v。列车的供电并不是持续的，当列车由一个供电区域到另一供电区域之间，期间可能会有数秒种的中断供电。该期间的供电是由列车内的蓄电池进行供电，而蓄电池的的空载电压为104V(52只铅酸蓄电池)[3]。多数用电设备无法在这样的用电环境下工作。

本文介绍的系统包含两级对电源的稳压处理，经试验前一级可以稳住60V-160V的电压稳定的输出12V的电源，后一级的输入电压范围是8V-60V。

3.前级稳压

如图3所示为前一级稳压电路。核心部件为美国VICOR电源模块VI-JT1，该模块的主要功能是隔离输入与输出的电压，完成DC110V向12V的转换。为了保护电路的安全，瞬态电压抑制管D1用于吸收110V电网超过440V左右的50ms的瞬态高电压以保护后续电路的不受高压冲击。对于低于440V左右的电压后续电路必须进行处理以达到VI-JT1转化模块规定的电压。稳压管D2，D9会在电源电压低于440V高于175V的情况下被击穿，此时D2的两端电压为160V而D9的电压为15V，分压电阻R1和R2会承担剩余的的电压。由于PCB设计采用的是贴片电阻，对于R1以及R2的功耗要小于该封装的最大功耗以保证电路的正常工作。稳压管D9于电阻R3并联使用，根据欧姆定律可知经过R3的电流为15ma，功率场效晶体管Q2导通。稳压管D10的两端电压为160V，其余的电压分压到电阻R4上，进行限流以免烧毁稳压管与场效晶体管。由于稳压管D10的导通致使功率场效应管漏极与栅极产生电压差，从而使Q1导通。Q1的源极与栅极有一定的压差，高速开关二极管D5、D4导通，对电容C1、CE1及CE2进行充电，同时对VI-JT1模块供电。如果电压低于175V不足以让Q1导通时，CE1、CE2的电压为两端电压为400V，可让D5、D4、D10导通，此时Q1可以导通对模块开始进行供电。电容C1控制模块的输出端。由于采用了自举升压电路，导致模块的前级电路出现高频电源信号，滤波电容C2、C3、C4、C5用于滤掉此过程中的高频杂散波。经过一系列的处理后电源模块输出的12V可经过电解电容CE3、CE4滤波、退耦后供给用电设备。

视频频监控的摄像头需要在夜间工作，因此必须有足够的功率保证红外灯正常工作，尤其是在列车上需要高功率的满足其可视距离的要求。视频监控器的主板理论上至少需要10W的功率来保证正常的工作需要。由于模块可提供90W的功率，完全可满足日常的用电设备。

4.后级稳压

接入主板的电源给车载视频监控的整个系统进行供电，该电源经过图4所示的电路再次进行降压稳压。该电路的降压主要是由款分为同步降压控制器LM5116完成，可以输入的电压为7-100V，本电路设计输入为7-60V以适应恶劣换的电源环境。本系统设计了两路降压稳压电路，一路输出电压为5V，另外一路的输出电压为12V。

4.1 5V、12V输出电路

以输出电压为5V为例，该降压电路最大负载电流为2A，开关频率为250kHz。其中定时电阻RT用于设置振荡器的开关频率，该设计中采用250kHz的开关频率同时满足了小体积以及高效能。

输出电感的计算是通过开关频率(fsw)、脉冲电流(Ipp)、最入电压(VIN(MAX))以及输出电压值得到的：

电流大小的限制是通过设置电流检测电阻(Rs)，。对于5V的输出，其最大的电流检测电阻是在最小的电压输入测得的。

所以：

对于该电路中的斜波电容的计算是依赖于电感和检测电阻的值，其仿真的斜波电容值是：

其中L的值是输出电感，gm斜波发生因子，A是电流电流检测放大增益。纹波电流是电流中的高次谐波成分，会带来电流或电压幅值的变化，可能导致击穿，由于是交流成分，会在电容上发生耗散，如果电流的纹波成分过大，超过了电容的最大容许纹波电流，会导致电容烧毁。输出电容可以是电感纹波电流变的平滑同时也可以提供一个瞬态的工作电源。对于本设计选用了5个100的陶瓷电容陶瓷电容可提供等效串联电阻，但是明显的减少了DC的偏置电容。等效串联电阻在250kHz时是2/5=0.4，在5V的时候可以减少36%的电容。输出纹波电压的计算如下：

该稳压电源有一个很大的源阻抗在较高的开关频率，当VIN引脚提供了大部分开关电流时，高质量的输入电容可以限制在VIN引脚上纹波电压。当模块开始工作，流入降压模块的电流转化为电感电流波形的波谷，然后迅速的上升到波峰后，然后下降到零。输入电容应该的选择必须满足有效的电流和最小纹波电压。

最好的逼近所需要的纹波电流的额定功率是IRMS>IOUT/2。选用高质量低等效串联电阻的陶瓷电容进行对输入电压进行滤波。输入纹波电压的接近于：

各项参数的设置即可以影响到输出电压，以上参数的选择可为后续电路提供稳定的5V电压。对于输出电压为12V的电路采取了类似于本级电路，只是在元器件的参数上有所区别。该12V也可以独立给模拟摄像头独立供电也可以并联与上一级12V电路同时给摄像头供电。

4.2 3.3、1.8、1.2输出电路

经过以上步骤的整流稳压后系统给新华龙的C8051单片机进行供电，以对整个系统电源进行管理。C8051从供电一直处于运行状态，将完成接收遥控器的指示进行开机、关机，对Hi3512主控芯片进行复位等功能。C8051控制的电源使能端口高电平有效，后续的整流降压

芯片开始工作。本是设计采用的同步整流降压稳压芯片MP1482，集成输入电压定从4.75v到18v下降到了输出电压低至0.923v供应高达2A的负载电流，最高有93%的转换效率。其中3.3V的降压电路如图5所示。MP1482的反馈电压跟参考电压比较好得到COMP端电压，COMP端电压决定了上管分支电流以及占空比，而占空比控制输入电压变化，从而达到负反馈控制目的。输入电压的设置是通过在电压输出端到FB引脚间加一个分压电阻。电压分频器的输出电压降至反馈电压的比例是：

，其中是反馈电压是输出电压。所以输出电压为。在输入电源是开关电源的情况下，电流的恒定输出是依赖于电感的使用。使用较大的电感可以使纹波电流变小，同时也将获得较低的输出纹波电流，但却有着更大的等效串联电阻更低的饱和电流。因此电感的值是：

其中是开关频率，是电感峰值纹波电流。该3.3V为主控芯片以及4路模拟转换芯片TW2835等提供电压，以供主板正常工作。本设计中的整流压至1.8V的电路同样用MP1482进行降压，只是根据实际需要进行参数调整即可稳定的输出1.8V的电压，该电压是为Hi3512芯片以及TW2835芯片提供1.8V的核心电压。

由于Hi3512芯片正常工作同时需要3.3V、1.8V、1.2V的电源，因此本设计为了满足供电要求(如图4、图5所示)，采用了MP2104芯片稳压。该芯片是1.7MHz固定频率PWM降压稳压器，有95%的最高转换效率，2.5V到6V的宽电压输入，最低输出电压为0.6V。输入电压的值可根据外部电阻分压器来设定。反馈电阻R271以及内部补偿电容用来决定了反馈环路带宽。输出电压。对于大多数设计电感的计算是通过以下公式计算：

其中：是电感纹波电流，设计的电感纹波电流接近最大负载电流的30%。所以电感的最大峰值电流是：

本设计提供的电源系统经过实际的实验、测试与应用均满足各项要求，可以稳定的输入5V、3.3V、1.8V、1.2V的电压，保证列车车载视频监控的正常运行

5.总结

本文提供了一种切实可行的降压整流方案。该方案适用不仅适用列车上极其复杂恶劣的环境，也同样满足于各种载运车辆上对电压严格需求，有着宽范围的输入电压，稳定高负载的输出电压。第二级的整流稳压电路可单独使用，同样可满足车辆上的宽电压输入要求。尽管各种车辆的输入电压有12V与24V两个模式，以及在起车辆起步阶段电压可能低至7V左右，在充电时电压会出现不稳定情况，本设计均可以满足，为车载的嵌入式设备提供一个稳定可靠的电源环境。

参考文献

[1]白锡杉,张全柱,王磊,史雪明.机车蓄电池组充电路结构的研究[J].应用天地,2007(9).

[2]刘亚龙,高玉峰,王志国.基于PFC的电力机车110V直流电源的设计[J].电气应用,2008(11).

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[4]吴强.客运列车供电系统[J].机车电传动,2003(5).