基于STM32 单片机的数控线性直流稳压电源设计★

2022-01-27刘倩倩

机械管理开发 2021年12期

刘倩倩

（山西工程职业学院，山西太原 030000）

引言

目前市场中大部分的直流稳压电源功能比较单一，输出电压值无法直观显示，本设计中的数控线性直流稳压电源是将220 V/50 Hz 交流电经过变压、整流、滤波和稳压后默认输出9 V/1.5 A 直流电。控制回路主要由高精度高速度的STM32F4 单片机组成，通过AD/DA 转换，与运放的输入端建立连接，使用按键调整输出电压并实时显示，每次按键使电压值步进0.1 V，最大输出电压为12 V，实现直流稳压电源数字化，可根据不同电子产品调节输出电压值并显示，拓宽了直流稳压电源的匹配度，增加其可用性[1]。

1 直流稳压电源系统设计

1.1 直流稳压电源原理及组成

本系统由STM32F4 单片机、变压器模块、整流电路、滤波电路、稳压电路以及AD/DA 转换模块构成。在电源电路设计中，首先由变压器将220V 交流电降压，经整流、滤波后，由单片机的DA 为运放提供基准电压信号，再由调整管稳定输出电压，实现稳压效果，单片机的AD 在采样电阻采集电压信号，由单片机实时显示到屏幕上。系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

1.2 稳压电路设计

串联型稳压电路由调整管，取样电路，基准电压和比较放大器等部分组成（下页图2）。当电网输出电压或者负载发生变化时会导致输出电压产生波动，稳压电路中的取样电路将部分输出电压反馈到比较放大器，与基准电压进行比较后放大误差电压，从而通过控制调整管的基极电流来改变其集—射集电压来补偿输出电压的变化，维持了输出电压的稳定性。

1.2.1 调整管（三极管）的选型

调整管的主要参数为耐压值、三极管集电极最大允许电流ICM以及集电极最大允许耗散功率PCM。

由于设计中的输出电压最大为12 V，而三极管正常工作时，集—射集间电压Uce至少要有2～3 V 的电压差，所以稳压电路的输入电压最少要达到14 V。假设交流输入电压220 V 的波动范围为15%～20%。那么滤波之后的电压即稳压电路的输入电压的变化范围也会上下波动15%～20%，即14 V 为波动后稳压电路输入电压的最小值，此时对应的输入电压为176 V（即交流输入电压减小20%）。故可以求出稳压电路输入电压减小前的值为17.5 V。同样当交流输入电压增加20%时，稳压电路的输入电压也会在17.5 V 的基础上增加20%，变为21 V。经过分析，当输入交流电为220 V 且在15%～20%上下波动时，稳压电路的输入电压值最大为21 V，而一般情况下，三极管耐压值需取最大输入值的1.5～2.0 倍，故其耐压值须大于42 V。

本设计中直流稳压电源满载时最大输出电流为1.5 A，同时由于三极管集电极电流IC应小于三极管集电极最大电流ICM，故三极管集电极最大允许电流ICM需在3 A 以上（取1.5～2.0 倍余量）。对于集电极最大允许耗散功率PCM，根据公式集电极功率损耗PC=UCE×IC≤PCM，故集电极最大允许耗散功率需大于18 W。

经过分析与计算，在不考虑运放能否满足要求的情况下，本设计采用两个NPN 三极管8050 与2SC2625 进行复合工作，使用两个三极管复合工作作为调整管可以保证放大倍数不会很小，同时过电流能力也能够满足。经测量得知，复合工作后的放大倍数大于1 000 倍。

1.2.2 运放的选型

本设计中输出电压最大为12 V，而三极管基—射集间电压Ube为0.7 V，故运放输出电压需大于12.7 V，即运放的工作电压也应大于12.7 V，所以在整个直流稳压电源系统中，为运放单独设计一个输出15 V 电压的内部直流稳压电源。

1.2.3 电阻R1R2 的选取

由于电源设计的最大输出电压为12 V，按键步进值为0.1 V。而单片机DA 的输出电压范围为0～5 V。运放输入电压Ug、输出电压U0与R1、R2之间的关系为：U0=（1+R1/R2）×Ug。为了便于计算，使R1与R2的比值为4，当R1=4 kΩ，R2=1 kΩ,输出电压U0为步进值0.1 V 时,带入公式可得Ug=0.02 V。故DA 每增加0.02 V，U0就增加0.1 V。当Ug为1.8 V 时U0为9 V，Ug为2.4 V 时Uo为12 V。

稳压电路最终设计如图2 所示。

图2 稳压电路设计

1.3 滤波电路设计

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分，为了获得平滑的直流电压，本设计采用电容滤波电路来滤除波形中的交流成分。电容滤波是通过利用电容的充放电原理，即当整流输出电压高于电容两端电压时电容快速充电，反之电容缓慢放电，来减少纹波，使输出电压变得平滑，同时还增加了输出电压的平均值。

对于滤波电容容值的选取，首先已知本设计输出电压为9～12 V，输出电流最大为1.5 A，经计算可知负载电阻最小为6 Ω。一般情况下，对于单相桥式整流电路与电容滤波电路，可依据公式RC≥（3～5）T/2 来选择滤波电容C 的大小，其中R 为负载电阻即6 Ω，T 为电网输出的交流电周期即0.02 s。根据公式可知，负载的电阻值越小，所需电容的容量越大，所以当负载电阻为最小值6 Ω 时，滤波电容所需的电容值为最大，即8 333.333 3 μF，由于容值较大，故在设计电源时选用电解电容作为滤波电容。

1.4 整流电路设计

1.5 变压器选择

直流稳压电源设计时，使用变压器的作用是将电网输出的标准交流电经过变压转化为负载所需大小的交流电。本设计中负载电压为9～12 V，故设计直流稳压电源时应使用降压变压器，同时根据调整管的选取可知，稳压电路部分的输入电压最小要达到17.5 V，而变压器二次侧电压经整流及滤波后，输出电压一般要放大1.2 倍。故本设计选用参数为一次测电压220 V、二次侧电压15 V、功率30 VA 的变压器。

1.6 电路保护环节设计

本设计中电路保护环节分为短路保护与过流保护，短路保护实则是对调整管进行保护，故选取耐压16 V、耐流2 A 的自恢复保险管串接在调整管的后方。为了实现过流保护，在输出端串联一个0.1 Ω 的小电阻，将读取到的小电阻两端电压值传送给单片机，通过这个电压值求出相应电流，并与最大输出电流1.5 A 进行比较来判断是否过流，如果过流则通过控制单片机DA 改变同相端输入的基准电压，使调整管的基极电压小于集电极电压，即使调整管进入截止状态，电路断开，从而实现过流保护。