小功率數(shù)字顯示可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

王天夫

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小功率數(shù)字顯示可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

王天夫

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

小功率線性穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)測試中廣泛應(yīng)用的電子設(shè)備，目前小功率電源多為固定電壓輸出或電壓可調(diào)卻無直觀數(shù)字顯示，操作使用不便。針對電源電壓的連續(xù)可調(diào)與數(shù)字顯示功能的需求，設(shè)計了一種基于LM317的可調(diào)數(shù)顯小功率穩(wěn)壓電源，完成了穩(wěn)壓電源的設(shè)計和調(diào)試，實現(xiàn)1.25~15 V的輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出電流達到1.25 A，電壓調(diào)整精度達到0.25級，具有輸出精度高、易于調(diào)整和顯示直觀等特點。

穩(wěn)壓電源；可調(diào)；LM317；模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字顯示

小功率穩(wěn)壓電源是使用、測試和維修電子設(shè)備必備的電子產(chǎn)品，保證在負載變化或電網(wǎng)波動時為用電器提供穩(wěn)定的電壓輸出和足夠的負載電流驅(qū)動能力[1]。目前常見的小功率穩(wěn)壓電源一般為固定電壓輸出或雖電壓可調(diào)但沒有直觀的數(shù)字顯示，給使用者帶來不便。因此采用低成本穩(wěn)壓芯片及數(shù)顯模塊設(shè)計和制作小型化輸出可調(diào)且具備數(shù)顯功能的小功率直流穩(wěn)壓電源，對電子系統(tǒng)調(diào)試及實驗室測試具有普遍的應(yīng)用意義和實用價值[2]。

小功率線性直流穩(wěn)壓電源包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等單元，設(shè)計中為提高輸出電流往往采用擴流電路。目前直流穩(wěn)壓電源設(shè)計制作技術(shù)已較為成熟，電源設(shè)計主要考慮小型化、高精度、可調(diào)整及數(shù)字顯示等實際應(yīng)用需求[3]。文獻[4]設(shè)計了一種以MSP430F413單片機為核心的智能化開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源，實現(xiàn)高分辨率了2~15 V輸出電壓可調(diào),輸出電流大于1 A，用字段式LCD顯示輸出電壓和設(shè)定電壓值，電源效率達到88%以上。文獻[5]設(shè)計了以微控制器為核心的數(shù)字式可調(diào)直流電壓源，實現(xiàn)3~15 V的電壓輸出，并且利用按鍵步進調(diào)節(jié)電壓。文獻[6]設(shè)計了一種應(yīng)用三端穩(wěn)壓集成電路LM317的電路設(shè)計方法，利用LM317和電壓補償電路以及軟啟動電路較好地解決了輸出電壓從0 V起調(diào)和輸出軟啟動的問題。

本文設(shè)計了一種基于LM317和ADC的輸出可調(diào)小功率直流穩(wěn)壓電源，可實現(xiàn)1.25~15 V的穩(wěn)壓輸出及調(diào)整，最大輸出電流可達到1.25 A，具備數(shù)字顯示功能，可直觀顯示電源實時輸出電壓參數(shù);電源穩(wěn)壓系數(shù)小于0.01，顯示精度達到0.25級標(biāo)準(zhǔn)。

1 可調(diào)數(shù)顯直流電源的工作原理

小功率穩(wěn)壓電源實現(xiàn)將220 V交流電壓變?yōu)榉€(wěn)壓直流輸出，為負載提供穩(wěn)定電壓與足夠的負載電流，且輸出電壓可連續(xù)調(diào)整，具有輸出電壓數(shù)字直觀顯示。該穩(wěn)壓電源電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路、LM317穩(wěn)壓調(diào)整電路、ADC電壓檢測、顯示電路等模塊組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 數(shù)字顯示可調(diào)穩(wěn)壓電源原理框圖

直流穩(wěn)壓電源各部分單元電路中，電源變壓器將輸入的220 V，50 Hz的交流電經(jīng)電源隔離變壓器降壓為合適的交流電壓，多路電源輸出可考慮采用雙繞組或多繞組輸出變壓器，電源變壓器功率以直流電源設(shè)計輸出功率為參考。

整流電路采用橋式整流模塊或整流管構(gòu)成全波整流電路，將變壓后交流電整流為含有脈動成分的直流電。濾波電路中采用倒LC濾波濾除脈動交流分量，消除紋波輸出平滑的直流電壓。

穩(wěn)壓及調(diào)整電路采用三端集成穩(wěn)壓芯片LM317進行濾波后的穩(wěn)壓，當(dāng)負載變化或電源電壓波動時能輸出穩(wěn)定的直流電壓。并利用改變LM317的調(diào)整端的可變電阻來實現(xiàn)輸出電源電壓的調(diào)整，達到預(yù)定輸出的電源電壓。

直流電源輸出電壓檢測采用微控制器片內(nèi)ADC進行輸出電壓的實時檢測，將輸出電源電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并由LCD顯示電路實時顯示。顯示電路采用字符型液晶模塊顯示，將ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量經(jīng)控制器處理后驅(qū)動液晶實現(xiàn)電源輸出電壓值的數(shù)字化顯示。

2 各單元電路設(shè)計及參數(shù)計算

2.1 電源變壓器選取

直流電壓最大輸出要求15 V，考慮到三端集成穩(wěn)壓器工作大約有1~2 V電壓降，所以電容濾波后電壓c約為17 V，則變壓器二次副邊輸出級電壓有效值2=c/1.2=17 V/1.2=14.2 V，因為是小功率電源，選用15 V/20 W小型電源變壓器。

2.2 整流濾波電路

整流橋的選取主要依據(jù)兩個參數(shù)，整流二極管的耐壓RM和通過整流二極管電流的平均值D。

(1)

選用IN4007整流二極管構(gòu)成全橋整流電路，其正向平均電流1 A及耐壓值1 000 V參數(shù)滿足整流要求。濾波電容經(jīng)驗值為470 ~1 000 μF，為抑制紋波選用標(biāo)稱值1 000 μF耐壓25 V的電解電容。

2.3 輸出可調(diào)穩(wěn)壓電路

本設(shè)計采用LM317可調(diào)式集成三端穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓芯片并實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整功能，LM317具有輸出電壓連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍較寬的特點，其線性調(diào)整率以及負載調(diào)整率和其他穩(wěn)壓器相比具有明顯的優(yōu)勢[7]。LM317內(nèi)部有過流保護電路、安全區(qū)保護電路等，輸出電壓為1.25~37 V，負載電流可達1.5 A。采用LM317輸出電壓調(diào)整方便，只需要兩個外接電阻便可以設(shè)置輸出電壓。為了改善瞬態(tài)響應(yīng)，可以在輸出端并接電容。LM317電路典型參數(shù)如下：輸出電流為1.5 A、0.01%的線性調(diào)整率、0.1%的負載調(diào)整率、波紋抑制比為80 dB，具有過流保護、過熱保護、輸出短路保護、調(diào)整管安全區(qū)保護等功能。

基于LM317的輸出可調(diào)穩(wěn)壓電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 LM317調(diào)壓電路

電路中1、P是決定輸出電壓的關(guān)鍵元件，由二者的比例關(guān)系和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓共同決定電源電壓輸出，如式(3)所示。1和P的取值從兩方面考慮：從式(3)輸出電壓計算公式看，p/1比例關(guān)系決定輸出，因此p采用可變電阻以便于調(diào)節(jié)；從輸出最小電流考慮，LM317正常工作時最小工作電流一般為1.5 mA，空載時1是最小電流泄放的唯一通路。如果1值選取過大，將使空載和有載時輸出電壓有較大差別，這是不允許的。從上述兩方面考慮，1及P計算如下：

0=1.25(1+p/1) (3)

取0=15 V，得P/1=11，又要求1電流達到1.5 mA才可正常工作，求得1應(yīng)小于830 Ω的阻值限制范圍，故取1=120 Ω，則相應(yīng)的P阻值應(yīng)為11×0.12 kΩ=1.32 kΩ，可保證電源輸出達到15 V，P留余地采用標(biāo)稱值2.2 kΩ電位器，以便于調(diào)節(jié)輸出電壓。

D1、D2是保護LM317的二極管，當(dāng)輸入端不慎短路時D1導(dǎo)通，C4經(jīng)D1放電，輸出端短路時，D2導(dǎo)通，C2經(jīng)D2放電，保護LM317不被燒毀。D1、D2都選用1N4001。

C1、C3可以起到濾除高次諧波目的。C4用于改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。C1、C3取0.1 μF，C4取470 μF。

2.4 ADC電壓檢測和顯示電路

電源電壓檢測采用低成本STC微控制器STC12C5410AD，利用其片內(nèi)10 bit ADC完成電壓檢測A/D轉(zhuǎn)換，并由該STC微控制器直接控制字符型液晶顯示模塊LCD1602顯示電源輸出電壓，電壓檢測及顯示電路如圖3所示。該方案可靈活擴展數(shù)顯電源的監(jiān)測動能，加上電流檢測電路后還直接監(jiān)測輸出電流數(shù)值。

輸出電壓檢測電路核心芯片STC12C5410AD微控制器內(nèi)部集中8路10 bit的ADC，可檢測多路直流電壓，C8，C9，JT1構(gòu)成晶振電路，C13與R13構(gòu)成上電復(fù)位電路，與STC12C5410AD共同構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)?？紤]到LM317輸出的可調(diào)整性，因此該最小系統(tǒng)供電單獨采用7805構(gòu)成的輔助電源供電，同時也為液晶模塊提供5 V的供電電壓。

電壓檢測電路的待測電壓來自LM317電路輸出的電源電壓IN，其電壓范圍為1.25~15 V，具體電壓值由p電位器調(diào)整確定。電源電壓VIN經(jīng)衰減及放大調(diào)理后電路后送入STC12C5410AD的ADC引腳P1.1/AD1。考慮到待測電源電壓最大為15 V，已超過單片機ADC的測試范圍（0~5 V），故VIN首先經(jīng)分壓電阻R1和R2進行1/6分壓，再接入TL084構(gòu)成的同相比例放大器中進行2倍放大調(diào)理，保證在電源輸出最大為15 V時，送入單片機ADC通道P1.1的電壓不超過5 V。待測電源電壓IN與單片機AD1口輸入電壓AD1之間滿足線性關(guān)系。

顯示單元采用LCD1602字符液晶模塊，由單片機控制其實現(xiàn)電源電壓的數(shù)字顯示。液晶使能端EN、讀寫控制/和數(shù)據(jù)/地址控制端/，分別由單片機的P3.0、P3.7和P3.5控制，發(fā)送給LCD的8位顯示數(shù)據(jù)D0~D7及指令地址碼由P2口控制，液晶對比度通過可調(diào)電位器輸出的電壓Vo來進行調(diào)整。檢測電源輸出電壓的數(shù)字量由單片機轉(zhuǎn)換成實際電壓值的ASCII碼送LCD顯示，對應(yīng)關(guān)系如式(5)所示。

(5)

圖3 電壓檢測及顯示電路

3 電源調(diào)試及測試

3.1 電源調(diào)試問題

LM317輸出1.25~15 V電路調(diào)試較為簡單，該電源裝置電路板采用雙面印制板PCB設(shè)計，裝配焊接電源變壓器、整流濾波電路、LM317調(diào)壓電路及電壓檢測微處理器和LCD模塊等元器件即可，可調(diào)數(shù)顯穩(wěn)壓電源如圖4所示。由于LM317的電壓輸出范圍是1.25~37 V，電壓計算公式中adj很?。?0 μA）可以忽略不計，電位器的阻值選2.2kΩ可以滿足輸出電壓1.25~15 V的調(diào)節(jié)范圍?？紤]到調(diào)整的方便性，可采用WXD3-13-2W多圈繞線電位器作為精密調(diào)整旋鈕。為改善輸出電壓的ADC檢測精度，可在檢測程序中加入?yún)?shù)檢測修正系數(shù)，通過實測修正的方式進一步提高檢測精度。

調(diào)試中在電源輸出低電壓大電流情況下會由于LM317電路承載的壓差及電流很大，因而會產(chǎn)生較大的功耗，故電源中LM317芯片應(yīng)選用TO-220封裝且加裝小型散熱片起到散熱保護作用。

圖4 可調(diào)數(shù)顯穩(wěn)壓電源

LM317可調(diào)三端穩(wěn)壓器，最小輸出電壓在1.25 V，若要求穩(wěn)壓電源從0 V起調(diào)，則穩(wěn)壓電路需加入一個負電壓偏置，電源輸入就需要正、負與地三個輸入端，電路相對復(fù)雜，一般穩(wěn)壓電源要求較少要求從0V起調(diào)，所以本電源直接從1.25 V起調(diào)。

3.2 測試及分析

直流穩(wěn)壓針對電源輸出電壓及輸出電流特性進行測試，選取典型負載L=100 Ω和L=10 Ω，調(diào)整電源輸出并測試輸出電壓及負載電流，測試結(jié)果如表1所示。在兩種典型負載條件下，電源指示輸出電壓相對誤差可優(yōu)于0.254%，準(zhǔn)確度基本達到0.25級。電源帶載特性較好，輸出電壓并未隨負載電流加大而產(chǎn)生較大波動。

表1 直流電源輸出特性

在輸出電壓為額定值15 V下的負載特性如表2所示。在電源輕載輸出且電壓達到額定值15V條件下，逐步加大負載電流，測試電源帶載特性即電源輸出電壓的變化特性，結(jié)果表明，當(dāng)負載電流由0.1 A變化到1.2 A過程中，15 V定壓輸出的電壓波動僅為0.12V，電源具有較好的帶載能力。

表2 電路負載特性

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LM317的具有數(shù)字顯示和輸出可調(diào)功能的小功率直流穩(wěn)壓電源。該電源基于低成本單片機STC12C5410AD進行電壓采樣檢測和驅(qū)動液晶顯示的方案，實現(xiàn)了對電源電壓的實時檢測與輸出顯示，測試結(jié)果表明，該電源實現(xiàn)了1.25~15 V的連續(xù)可調(diào)輸出，具有工作穩(wěn)定、輸出精度高、顯示直觀等特點，輸出檢測精度達到0.25級；以靈活的電壓檢測及LCD顯示方式實現(xiàn)了電源輸出的監(jiān)視功能，能夠及時準(zhǔn)確地反映電源輸出的工作狀態(tài)，本設(shè)計把穩(wěn)壓電源可調(diào)性和數(shù)字顯示結(jié)合一體，為電子測試提供了便捷的電源解決方案。

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責(zé)任編校：孫 林

Design of Adjustable Regulated Power Supply with Digital Display

WANG Tian-fu

（Liaoning Railway Vocational and Technical College, Jinzhou 121001, China）

The low power linear regulated power supply is an electronic equipment widely applied to electronic system test, at present, small power supply is usually with fixed voltage or with adjustable voltage but without digital display, moreover, it is inconvenient to operate or use. Aiming at the requirements of continuous adjustment and digital display function of power supply output, a linear regulated power supply based on LM317 with adjustable output and digital display is designed, and the design and debugging process of the small regulated power supply are implemented, which can realize continuous adjustable output within the range from 1.25V to 15 V and current output with 1.25 A, the voltage output accuracy meets 0.25 level standard, the power supply has the characteristics such as high output precision, easy to adjust and direct display.

regulated power supply; adjustable; LM317; analog-to-digital conversion; digital display

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.003

TM44

A

1674-3261(2017)03-0149-04

2017-02-26

王天夫(1985-)，男，遼寧錦州人，講師，碩士。