南华大学电气工程学院 王 浩 李月华 陈文光 袁克凯 韩奈泽 左 芊 周 威

直流稳压电源是将电能进行转化的装置，在实际使用中直流稳压电源多为定压输出，且无数字化电压显示，对使用造成了不便。针对电压连续可调和数字化电压显示的需求，设计了一种基于XL4016的数显可调直流稳压电源，由220V市电供电、直流电压输出调整范围为2.5V-25V、最大输出电流为3A、且带有过流过压保护功能的数显可调直流稳压电源，本数显可调直流稳压电源具有输出电压可调，可直观显示电压，具有过流过压保护的特点。其中的DC-DC电路也同时应用于一种小功率电动车辆功率补偿装置。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

本电源由220VAC供电，经过电源变压器后输出24VAC，再经过整流与滤波电路，将交流电转化为稳定的直流电，再经过DC-DC电路，将稳定的直流电进行降压，降压的幅度可以调整，实现2.5-25V直流电压输出，最后为了控制纹波系数，加入LC滤波电路进行滤波，实现较低的纹波系数。显示电路实时对DC-DC的输出电压进行采样，并在数码管上显示出来，实现输出电压的数字化显示功能。设有保护电路，能在过流和过压时自动切断负载输出。

1.2 整流与滤波电路设计

整流电路设计选用KBU1010整流桥，最大通过电流为10A，桥后采用电容滤波电路。利用电容的充放电特性，可以将脉动的直流电转化为稳定的直流电，滤波电容通常采用如下计算公式：

因此，选用一个50V1000uF与一个50V470uF的电容并联使用作为滤波电容。另外再并联一个0.1uf独石电容，用于滤除高频纹波。

1.3 DC-DC电路设计

为了追求更高的效率，在DC-DC部分采用BUCK拓扑进行设计，BUCK电路中开关管需要控制器控制，为简化控制器外围电路，采用高度集成的XL4016芯片作为控制器，此控制器内集成了开关管，1.25V基准电压源，MOS驱动电路、180KHZ锯齿波发生器、软启动电路等。使其外围电路更加简单。设计电路如图1所示。

图1 DC-DC电路

对于XL4016电路，采用如图参数，输入电容用于进行缓冲，避免开关管导通时引起的电源端电压骤降。二极管选用大电流快恢复二极管。为降低开关电源纹波较大，因此选用小容量独石电容、大容量电解电容进行输出滤波。同时在输入端加入小容量独石电容滤除高频纹波。可调电阻进行输出电压分压送入FB端，用于调整输出电压。在其后增加比较电路与控制电路送入反馈，可以组成中小功率电动车辆电源功率补偿装置的重要组成部分。

1.4 LC滤波器设计

经过整流桥后的电容滤波后，并不能完全的消除纹波，为了使纹波系数更低，因此在DC-DC电路后设计LC滤波电路进行进一步的滤波。开关电源开关频率为180KHz，将截止频率设置为远低于开关电源开关频率效果较好，LC电路截止频率为：

采用470uf电容与47uh电感，将截止频率设置为1071Hz，用于滤除高频纹波。

1.5 显示电路设计

电压显示电路可以将电压转化为数字量进行显示。本直流稳压电源的显示部分采用ICL7107芯片，此芯片将数据采集、数据处理、显示驱动集于一身。实际使用电路图如图2所示。

图2 LCL7107电路

其震荡频率为0.45RC，典型震荡频率为45KHZ，因此选用100K电阻与100PF电容连接至芯片的40、39、38脚。用一四脚按键串联至芯片37脚与5V之间，当按下按键后可实现测试功能。35脚与36脚为基准电压输入引脚，采用电阻分压提供基准电压。调零电容选用典型值100nf。将输入电压分压100倍后，经过1M限流电阻与0.02uf的滤波电容与芯片31、30引脚连接，因此芯片采样电压总为真实值的1%。采用470nf电容、220nf电容、47k电阻作为积分网络。采用震荡电路信号，驱动一负压电荷泵，产生负电压供给芯片。驱动引脚连接共阳极数码管进行显示。

1.6 保护电路设计

保护电路采用继电器作为开关，采用三极管驱动继电器和指示灯。三极管信号由运放提供，运放设置正反馈，当正输入端电压大于负输入端电压时实现自锁。设置有复位按键，当发生保护时可手动复位。具体电路如图3所示。

图3 具体电路图

输入电压经过一个15K电阻和1K进行分压，作为采样电压输入比较运放，同时在负载低端串联一个0.1欧姆的采样电阻进行电流采样。电流采样信号送入同向比例放大电路中进行放大，放大倍数为11倍，放大后送入电流比较运放。电流与电压比较运放外围均有LED驱动电路，可以在保护电路动作时进行显示。采样信号从运放的同向输入端输入，运放的反向输入端接精密可调电阻，一旦采样信号电压高于精密可调电阻电压，输出端电压上升，经过二极管正反馈到同向输入端实现自锁，按下按键后解除自锁。运放输出端输出信号经过三极管驱动LED和继电器，实现LED显示与继电器断开。

2 系统调试与测试

功率电路测试：将变压器接入市电，测试变压器输出电压是否正常，再将变压器输出接入整流滤波与DC-DC电路，调整输出电压旋钮，观察整流滤波与DC-DC电路是否正常工作。记录数据如表1所示。

表1 功率电路测试数据

数据表明本设计功率电路运行可靠，电压可调整至2.5V-25V。

显示电路测试：将显示电路采样端接入可调直流电源，将万用表表笔夹入显示电路采样端，观察显示电路数码管数据是否与电压表显示一致。记录数据如表2所示。

表2 显示电路测试数据

数据表明，电压表显示电压与数码管显示电压基本一致，本设计显示电路工作正常，显示准确。

保护电路测试：接入保护电路，使用滑动变阻器作为负载，先将滑动变阻器阻值调整到最大，渐渐调整直流稳压电源输出电压，观察保护电路动作时电压，并调整为合适动作电压。再将直流稳压电源输出电压调整为固定值，渐渐减小负载电阻，观察保护电路动作时电流，并调整为合适电流保护值，记录数据如表3所示。

表3 保护电路测试数据

数据表明，过流过压保护电路可以在设定值处进行保护，各次保护动作条件稳定。

3 设计总结

本文设计了一种基于XL4016的数显可调直流稳压电源，经过实验数据测试表明本电源实现了直流电压输出调整范围为2.5V-25V、最大输出电流为3A、带有过流过压保护功能的设计指标。本设计实用性更强，适配性更高，为电源的使用带来了便利。但本设计仍有不足，在保护功能中，电压与电流保护阈值均通过旋钮调节，旋钮调节量无法以数字形式直观展现，因此本设计可以在后期采用单片机加以改善，并采用单片机做进一步的显示、采样与控制，更加为电源的使用提供便利，同时也为中小功率电动车辆电源功率补偿装置的开发奠定基础。