可视化直流稳压电源的设计

　　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

　　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  　　1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

　　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。

　　2 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。

图3 LCD与89C52的接口