雙極性跟蹤可調(diào)精密直流電源的設(shè)計(jì)

• • 一、方案論證
  • • 1.1 誤差反饋回路方案選擇
    • 1.2 DA反饋電路方案選擇
    • 1.3 總體方案論證
  • 二、電路與程序設(shè)計(jì)
  • • 2.1整流電路
    • 2.2 場(chǎng)效應(yīng)管電路
    • 2.3 反饋電路
    • 2.4 電壓電流采樣電路
    • 2.5 過(guò)流保護(hù)電路
    • 2.6 輔助電源電路
  • 三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
  • 四、測(cè)試結(jié)果及分析
  • 五、總結(jié)

摘要：以單片機(jī)STM32為核心，設(shè)計(jì)制作了雙極性跟蹤可調(diào)直流電源。本系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、整流電路、場(chǎng)效應(yīng)管電路、反饋電路、電壓電流采樣電路、過(guò)流保護(hù)電路和輔助電源電路。其中以場(chǎng)效應(yīng)管電路為核心，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，使用單片機(jī)調(diào)節(jié)DAC輸出電壓，從而控制場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓，調(diào)整源極輸出電壓和電流。采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過(guò)PID算法控制輸出值穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試，雙極性對(duì)稱(chēng)輸出電壓范圍0-±5V，負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率均小于0.2%，輸出電流過(guò)大時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)輸入，保護(hù)系統(tǒng)，且能夠自恢復(fù)。此外，輸出電壓可通過(guò)按鍵步進(jìn)調(diào)整或自由設(shè)定，并通過(guò)LCD屏幕實(shí)時(shí)顯示工作模式與輸出值，人機(jī)交互友好。

一、方案論證

1.1 誤差反饋回路方案選擇

??方案一：直接DA反饋方案。此種方案直接將DA輸出電壓值反饋在三極管的基極上，通過(guò)不斷對(duì)輸出電壓采樣，采用PID算法改變DA輸出值，使輸出電壓為設(shè)定值。
??方案二：誤差比較反饋方案。該方案將輸出電壓與DA值進(jìn)行差分放大比較并將放大后的誤差驅(qū)動(dòng)三極管的基極。
方案二將硬件反饋與軟件反饋相結(jié)合，不僅反饋速度比方案一的快，而且較為準(zhǔn)確穩(wěn)定，故選擇方案二。

1.2 DA反饋電路方案選擇

??方案一：從路跟蹤方案。本方案只應(yīng)用一個(gè)DA芯片，負(fù)電壓誤差反饋電路使用一個(gè)同相加法器，正負(fù)電壓輸出可調(diào)電路的輸出電壓直接反饋到加法器同相輸入端，實(shí)現(xiàn)了負(fù)電壓輸出跟蹤正電壓輸出可調(diào)電路。電路圖如圖1.2.1所示。

??方案二：兩路DA反饋方案。采用兩個(gè)DA反饋電路分別對(duì)正負(fù)電壓輸出可調(diào)電路進(jìn)行反饋。

??方案一與方案二相比，只需控制一個(gè)DA芯片，減少了軟件算法的復(fù)雜度，且硬件電路所需芯片少，工作簡(jiǎn)單，能夠很好地實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤功能。而方案二由于采用分別反饋的方式，正負(fù)電壓輸出電路需要單獨(dú)控制，提高了軟硬件復(fù)雜度，故采用方案一作為系統(tǒng)的DA反饋電路。

1.3 總體方案論證

??輸入220V市電首先通過(guò)整流電路得到波紋較大的直流電，然后進(jìn)入場(chǎng)效應(yīng)管電路。場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，使用單片機(jī)調(diào)節(jié)DAC輸出電壓，經(jīng)反饋電路后，可以此控制場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓，從而調(diào)整源極輸出電壓和電流。采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣輸出電壓、電流值，通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)DAC輸出電壓，從而控制柵極電壓，調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通程度，實(shí)現(xiàn)輸出電壓值穩(wěn)定。同時(shí)，輸出電流過(guò)大時(shí)通過(guò)繼電器自動(dòng)斷開(kāi)輸入，一段時(shí)間之后自恢復(fù)。輔助電源電路在整流電路之后，通過(guò)三端穩(wěn)壓器獲得±15V電壓，用于運(yùn)放和過(guò)流保護(hù)模塊電源，然后使用穩(wěn)壓芯片獲得5V電壓用于單片機(jī)。此外，軟件實(shí)現(xiàn)輸出電壓通過(guò)按鍵以1mV、10mV、100mV和1V在0～±5V范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)整或自由設(shè)定，并通過(guò)LCD屏幕實(shí)時(shí)顯示工作模式與輸出值。

二、電路與程序設(shè)計(jì)

2.1整流電路

??整流電路連接于系統(tǒng)交流供電電源后，包括一個(gè)三抽頭220V轉(zhuǎn)48V變壓器和兩個(gè)單相橋式整流電路，分別提供正負(fù)直流電。單相橋式整流電路中的二極管使用反向耐壓值100V、導(dǎo)通壓降小的肖特基二極管MBR10100CT。其關(guān)鍵參數(shù)為VRRM=100V，IF(AV)=5A，VF=0.8V。整流電路輸出端并聯(lián)濾波電容，保留直流分量，減小電路的脈動(dòng)系數(shù)，得到直流電壓。

2.2 場(chǎng)效應(yīng)管電路

??如圖3.57所示，場(chǎng)效應(yīng)管電路包括N溝道增強(qiáng)型MOS管IRF840和P溝道增強(qiáng)型MOS管IRF940，±VCC由整流電路提供，MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別由正負(fù)誤差反饋電路提供。由柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制MOS管的導(dǎo)通程度即漏源電阻RDS的大小，從而控制輸出電壓、電流。

2.3 反饋電路

??如圖3.58所示，反饋電路包括使用運(yùn)放OPA227搭建的同相比例放大器、電壓跟隨器、同相加法器、比較器等。

??由DAC輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放OP2搭建的同相比例放大器調(diào)整幅度后作為參考信號(hào)，同相放大器的輸出電壓值等于$\left(1+R_1/R_2\right)?V_{\mathrm{D}\mathrm{A}}$ ，平衡電阻$R_3=R_1//R_2$ 。
??系統(tǒng)的輸出電壓信號(hào)在與參考信號(hào)進(jìn)行比較前，先進(jìn)入由OP3搭建的電壓跟隨器。電壓跟隨器輸出電壓的幅度和極性都與輸入電壓相同，輸入阻抗很高，幾乎不從前級(jí)汲取電流，且輸出阻抗低，向后級(jí)輸出電流時(shí)幾乎不在內(nèi)部引起壓降，在電路中作為緩沖級(jí)或隔離級(jí)。
??通過(guò)上述電路，得到了經(jīng)過(guò)幅度調(diào)整的參考電壓信號(hào)以及系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)電壓跟隨器后的電壓信號(hào)，二者在OP1搭建的比較器中進(jìn)行誤差比較，比較的結(jié)果作為功率管IRF840的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
??為了實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓、電流輸出跟蹤，使用OP4搭建的加法器電路，系統(tǒng)正負(fù)電壓輸出分別經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后，進(jìn)入加法器電路，輸出信號(hào)為$V_{G2}=\frac{1}{2}\left(1+\frac{R_7}{R_4}\right)\left(V_{+}+V_{?}\right)$ ，其中$R_4=R_5$ ，$V_{+}$ 和 $V_{?}$分別是系統(tǒng)正負(fù)電壓輸出經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后得到的電壓值。這樣，當(dāng)$V_{+}$ 和$V_{?}$ 之和不為0V時(shí)，加法器輸出信號(hào)即PMOS功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，使得系統(tǒng)正負(fù)電壓輸出互為相反數(shù)，實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。

??DA芯片選用雙通道，12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7612，它無(wú)需外部基準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單，輸出范圍0-5V，輸出模擬電壓最快可在7μs內(nèi)穩(wěn)定到1 LSB，具有同步串行接口，可以與各種DSP和微控制器兼容，功耗僅3.7mW，可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

2.4 電壓電流采樣電路

??電流感應(yīng)放大器電路使用包括電流感應(yīng)放大器芯片INA282和采樣電阻 。采樣電阻$R_{\mathrm{s}}$ 選用溫漂小、穩(wěn)定性好的康銅絲，與負(fù)載串聯(lián)接于系統(tǒng)輸出端，它的兩端分別通過(guò)RC濾波器接于INA282的IN+和IN-引腳。INA282是高精度、寬共模范圍、零漂移的電流監(jiān)視器，對(duì)差分輸入的信號(hào)具有50倍固定增益的放大輸出。INA282將流過(guò)采樣電阻的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)RC濾波器，送入AD采樣電路中進(jìn)行采樣處理。
??系統(tǒng)正電壓輸出端也通過(guò)RC濾波器接于A(yíng)D采樣電路中。本系統(tǒng)選用的AD轉(zhuǎn)換芯片為16位4通道、高精度、低功耗的ADS1118，支持雙路差分輸入或四路單端輸入，采樣速率最高可達(dá)860SPS（每秒860次），適合采樣直流信號(hào)。此外，ADS1118具有2V至5.5V的寬電源電壓范圍，每個(gè)通道的模擬輸入范圍可達(dá)0-5.5V，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。ADS1118由單片機(jī)STM32通過(guò)SPI通信控制。

2.5 過(guò)流保護(hù)電路

??過(guò)流保護(hù)功能通過(guò)單片機(jī)IO口輸出高電平驅(qū)動(dòng)繼電器工作實(shí)現(xiàn)。過(guò)流保護(hù)電路包括三極管、反向二極管和五腳繼電器。單片機(jī)的IO口輸出電流很小，所以要用三極管放大來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。繼電器的常閉端連接在整流電路中變壓器的輸入端，當(dāng)輸出電流超過(guò)過(guò)流保護(hù)點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)IO口輸出高電平，控制繼電器斷開(kāi)系統(tǒng)輸入，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。繼電器線(xiàn)圈兩端反向并聯(lián)二極管，在三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，吸收繼電器線(xiàn)圈感生電動(dòng)勢(shì)，消除該電動(dòng)勢(shì)與電源電壓之和擊穿三極管發(fā)射結(jié)的危險(xiǎn)，保證三極管的安全。

2.6 輔助電源電路

??輔助電源電路由線(xiàn)性穩(wěn)壓器LM7815、LM7915和LM1117-5V組成。由于在系統(tǒng)處于過(guò)流保護(hù)狀態(tài)時(shí)，部分器件仍需要工作，因此輔助電源電路接在整流電路之后，過(guò)流保護(hù)電路之前?！?5V供電電路分別接在整流電路兩輸出端之后，+15V供電輸出用于過(guò)流保護(hù)模塊供電和反饋電路中運(yùn)算放大器正電源，-15V供電輸出用于反饋電路中運(yùn)算放大器負(fù)電源，+5V供電電路接于+15V供電電路輸出端之后，輸出用于單片機(jī)、AD芯片、DA芯片的供電。這樣，就滿(mǎn)足了系統(tǒng)中不同部分的供電需求。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

??系統(tǒng)軟件流程圖如圖3.63所示。單片機(jī)控制ADS1118的兩個(gè)通道分別采樣輸出電流信號(hào)和正輸出電壓信號(hào)，并使用軟件濾波算法去除采樣信號(hào)中的噪聲使判斷更準(zhǔn)確。當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí)，啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)繼電器斷開(kāi)輸入，延遲一段時(shí)間后自恢復(fù)。正常工作狀態(tài)下，將正輸出電壓采樣值與設(shè)定值進(jìn)行比較，對(duì)DA輸出的模擬電壓值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)DAC輸出模擬電壓信號(hào)，作為反饋電路中的參考信號(hào)，進(jìn)而改變功率管的驅(qū)動(dòng)電壓，調(diào)整其導(dǎo)通狀態(tài)，使輸出電壓值與設(shè)定值相同。

四、測(cè)試結(jié)果及分析

??略。

五、總結(jié)

??系統(tǒng)以場(chǎng)效應(yīng)管電路為核心，采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使用單片機(jī)通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)DAC輸出電壓，從而控制場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓，使場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，調(diào)整源極輸出電壓穩(wěn)定至設(shè)定值。經(jīng)測(cè)試，雙極性對(duì)稱(chēng)輸出電壓范圍0-±5V，負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率均小于0.2%。同時(shí)，系統(tǒng)具有過(guò)流保護(hù)功能，輸出電流過(guò)大時(shí)能夠自動(dòng)斷開(kāi)輸入。此外，輸出電壓可通過(guò)按鍵步進(jìn)調(diào)整或自由設(shè)定，并通過(guò)LCD屏幕實(shí)時(shí)顯示工作模式與輸出值，人機(jī)交互友好。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的全国大学生电子设计竞赛(四)--双极性跟踪可调精密直流电源的设计的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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