【正文】 段，一方面得益于國家自然基金的資助與激勵，另一方面市場對電源的需求不斷增大，電源產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在不斷擴大，在創(chuàng)新意識的指導下，國內(nèi)開展了跟蹤國際多方面前沿課題的研究，使我國的電源技術的研究從引進吸收消化，過渡到一般的跟蹤發(fā)展，再到前沿跟蹤與基礎的創(chuàng)新與研發(fā)，電源行業(yè)踴躍出一大批難度大、具有國際領先的技術，而且還生產(chǎn)出一大批具有國際領先水平的代表性產(chǎn)品。但是，與發(fā)達國家相比，我國的電源產(chǎn)業(yè)還存在很大的差距和不足，一方面國內(nèi)的數(shù)控電源主要是利用單片機或者可編程邏輯器件來控制穩(wěn)壓電源調(diào)整管的開關程度來實現(xiàn)數(shù)控，這樣的控制方法和國外相比，電源的效果不是很理想。另一方面雖然國內(nèi)的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的數(shù)控穩(wěn)壓電源也是在向著數(shù)字化方向靠攏，但是大多數(shù)還是僅局限于對預置輸入的查表控制與輸出的數(shù)字顯示，總體來講國內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源在電源的可靠性、質量、持續(xù)創(chuàng)新能力、智能化水平、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)工藝水平、檢測設備水平等方面還存在有10到15年的差距，尤其在直流穩(wěn)壓電源的智能化和網(wǎng)絡化的研究方面，我國還僅限于實驗室研究階段。在國際競爭激烈的今天，這無疑是對我國電源產(chǎn)業(yè)的嚴峻考驗。 發(fā)展方向直流穩(wěn)壓電源技術現(xiàn)在已經(jīng)日益成熟，但是隨著科技的發(fā)展以及未來社會對電源設備要求的不斷提高，直流穩(wěn)壓電源還有很大的潛在發(fā)展空間，未來直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向大致有三大發(fā)展方向：智能化、模塊化、數(shù)字化。1) 智能化目前在研究開發(fā)高性能、高精度的儀器儀表時，幾乎全部采用單片機以及可編程邏輯器件來實現(xiàn)，電源也不例外。直流穩(wěn)壓電源作為儀器儀表最基本的組成部分，不僅為儀器儀表提供穩(wěn)定的電能，同時又具有測量的功能，而在儀器儀表故障中大約60%是因為電源模塊故障，因此在很大程度上電源模塊的質量直接決定儀器儀表的質量，以單片機為核心的新一代智能電源正在日益取代傳統(tǒng)的模擬電源，解決了許多傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源沒有解決的問題，優(yōu)化了系統(tǒng)電路，提高了系統(tǒng)性能。在智能化的今天，直流穩(wěn)壓電源實現(xiàn)智能化也是大勢所趨。2) 模塊化電源的模塊化主要有兩方面的含義，一是指指電源功能單元的模塊化；二是電源器件的模塊化。電源模塊化可以方便使用和生產(chǎn)，縮小體積，更重要的是模塊化能夠取代傳統(tǒng)接線，把寄生電容等非確定變量降到最低，降低電子元器件在正常工作或者故障時所受的電動力，降低元件損耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，還可以使用多個模塊并聯(lián)使用，增加系統(tǒng)的冗余，分擔負載，擴大系統(tǒng)容量，可以大大的提高可靠性。3) 數(shù)字化在數(shù)字化的今天，數(shù)控電源不僅僅是局限在使用鍵盤輸入和數(shù)字顯示等方面，在傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源中，控制部分完全是建立在模擬電路基礎上的，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依托于硬件電路，對硬件電路的要求比較高，而數(shù)字化的電源采用先進的控制算法，軟件可以實現(xiàn)濾波等功能，可以避免模擬信號的畸變失真、提高抗干擾能力、便于計算機處理控制、并大大增強了系統(tǒng)的容錯能力。第2章 線性穩(wěn)壓電源電路的設計思路及方案論證 初步設計的系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)整體框圖 設計思路直流線性穩(wěn)壓電源的實現(xiàn)形式有很多種，例如串聯(lián)型穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型穩(wěn)壓電源，采用集成穩(wěn)壓芯片的穩(wěn)壓電源與分立元件搭建的穩(wěn)壓電源等。本設計旨在設計完成一個能滿足日常實驗及工作需要的實用電源，對電源的穩(wěn)定性、精度有較高的要求，現(xiàn)在擬以內(nèi)部集成A/D、D/A的16位單片機MSP430F169為核心，采用橋式整流，電容濾波，分立元件搭建電壓調(diào)整電路，選取硬件負反饋設計一個串聯(lián)輸出的數(shù)控直流線性穩(wěn)壓電源，以下是對本此設計的電源各個模塊單元的論證。 各個模塊方案論證 控制器的選擇方案一：采用51單片機作為主控制器?？刂仆鈬娐愤M行電壓電流采集、電壓電流的設定、鍵盤和液晶顯示的控制，由于常用的51單片機沒有集成A/D、D/A，內(nèi)部的資源較少，外部中斷只有兩個，因此要實現(xiàn)數(shù)控控制比較困難，會造成邏輯電路比較復雜，且靈活性較低，還需加擴展A/D、D/A及存儲芯片，不利于各種功能的擴展。方案二：采用MSP430單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。MSP430F169是TI公司的16位低功耗系列單片機，它集成了兩個帶捕獲/比較功能的16位定時器，擁有8通道12位高速的A/D轉換模塊和兩個獨立的12位的D/A轉換模塊，而且內(nèi)部集成硬件乘法器，大大提升了MCU的運算速度。芯片集成度高，簡化了硬件單路，此系統(tǒng)硬件相對簡單，多數(shù)功能可由軟件實現(xiàn)， 因此系統(tǒng)控制靈活，而且更加穩(wěn)定，并且低功耗便于整體效率的提高。綜上兩個方案，經(jīng)過比較分析采用TI 公司的MSP430F169作為本次設計的控制芯片。 關于電壓調(diào)整方式 方案一：電位器分壓式。利用電位器的中間抽頭的電位可以隨電位器抽頭的位置變化產(chǎn)生線性變化的特點，將中間抽頭的電平作為參考電壓，這種方法的線性度較好，很容易實現(xiàn)，但是電位器使用較長時間后容易接觸不良，而且不容易實現(xiàn)精確控制。方案二：PWM濾波模擬D/A。利用單片機的定時器產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈沖信號，經(jīng)過濾波處理以后得到與占空比一一對應的電平信號，利用此電平信號作為參考電平。這種方法節(jié)省D/A資源，占用I/O少，但是不夠精確，穩(wěn)定性比較低，而且輸出電壓還受單片機電源電壓影響。方案三：采用D/A芯片。D/A芯片能將輸入的數(shù)字量轉化成相對應的模擬量，兩者的對用關系僅與參考電壓有關，線性度號，D/A芯片的穩(wěn)定性好、精度高，但是價格昂貴。綜上三種設計方案，由于MSP430F169內(nèi)部集成兩個獨立的12位D/A，而且具有外部參考電壓，可以達到很高的精度與穩(wěn)定度，故選擇方案三。 整流電路方案選擇整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種應用電路，它的作用是將交流電能轉換成直流電能供給直流用電設備。整流電路可以從不同的角度進行分類，主要分類方法有：按照組成器件的可控性可分為不可控整流、半控整流、全控整流三種；按照電路結構可以分為橋式電路和零式電路；按照交流輸入相數(shù)又分為單相電路和多相電路；按照變壓器二次側電流的方向是單向還是雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。常用的整流方案有以下幾種：方案一：半波整流電路。其中B1是電源變壓器，D1是整流二極管，R1是負載。B1的次級輸出電壓是一個方向及大小都隨時間變化的正弦波電壓，（a）所示，0～π期間是這個電壓的正半周，這時B1次級上端為正下端為負，二極管D1正向導通，電源電壓加到負載R1上，負載R1中有電流通過；π～2π期間是初級電壓的負半周，這時B1次級上端為負下端為正，二極管D1反向截止，沒有電壓加到負載R1上，負載R1中沒有電流通過。在以后的周期中也將周期重復上述過程，這樣電源負半周的電壓波形被“削”掉，得到一個單一方向的電壓，（b）所示。由于這樣得到的電壓波形大小還是隨時間變化，我們稱為脈動直流。 半波整流電路圖 半波整流電路波形圖設B1初級電壓為E，則理想狀態(tài)下負載R1兩端的電壓可用以下公式求出：UR1=2πE≈ （21）整流二極管D1承受的最大反向峰值電壓為：UD1=22 E≈ （22）由于半波整流電路只利用電源的正半周，電源的利用效率非常低，所以半波整流電路僅在高電壓、小電流等少數(shù)情況下使用，一般電源電路中很少使用。 方案二：全波整流電路 由于半波整流電路的效率較低，于是人們很自然的想到將電源的負半周也利用起來，這樣就有了全波整流電路。相對半波整流電路，全波整流電路多用了一個整流二極管D2，變壓器B1的次級也增加了一個中心抽頭。這個電路實質上是將兩個半波整流電路組合到一起。 全波整流電路電路圖 全波整流電路波形圖在0～π期間B1次級上端為正下端為負，D1正向導通，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓上端為正下端為負，（b）所示，；在π～2π期間B1次級上端為負下端為正，D2正向導通，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓還是上端為正下端為負，（c）所示。在2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復上述過程，這樣電源正負兩個半周的電壓經(jīng)過DD2整流后分別加到R1兩端，這樣R1上得到的電壓總是上正下負，（d）所示。 全波整流電路原理分析圖1 全波整流電路原理分析圖2設B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負載R1兩端的電壓可用下面的公式求出：UR1=22πE≈ （23）整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：UD1=22 E≈ （24）全波整流電路每個整流二極管上流過的電流只是負載電流的一半，比半波整流小一倍。 方案三：橋式整流電路 由于全波整流電路需要特制的變壓器，制作起來比較麻煩，于是出現(xiàn)了一種橋式整流電路。這種整流電路使用普通的變壓器，但是比全波整流多用了兩個整流二極管。由于四個整流二極管連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。 橋式整流電路電路圖 ，B1次級上端為正，下端為負，整流二極管D4和D2導通，電流由變壓器B1次級上端經(jīng)過DRD2回到變壓器B1次級下端；，B1次級下端為正，上端為負，整流二極管D1和D3導通，電流由變壓器B1次級下端經(jīng)過DRD3回到變壓器B1次級上端。R1兩端的電壓始終是上正下負，其波形與全波整流時一致。 橋式整流電路原理分析圖1 橋式整流電路原理分析圖2設B1次級電壓為E，理想狀態(tài)下負載R1兩端的電壓可用下面的公式求出： UR1=22πE≈ （25）整流二極管D1和D2承受的反向峰值電壓為：UD1=2 E≈ （26）橋式整流電路每個整流二極管上流過的電流是負載電流的一半，與全波整流相同。 橋式整流電路簡化形式橋式整流電路相對其他幾個整流電路有如下幾個優(yōu)點：（1）橋式整流電路的交流利用率為100%，利用率比較高。（2）每個二極管承擔的最大反向電壓為2 倍的交流峰值電壓。（3）流過每個二極管的負載電流僅為半波整流的一半。綜上所述，橋式整流電路的性能要遠好于其他兩種整流電路，而且硬件也不復雜，因此整流電路我們采用橋式整流。 濾波電路論證交流電經(jīng)過整流后得到的是脈動直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接用作電子設備的電源。濾波電路可以大大降低這種交流紋波成份，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。 方案一：電容濾波電路 ，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用。在脈動直流波形的上升段，電容C1充電，由于充電時間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動直流波形的下降段，電容C1放電，由于放電時間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在C1還沒有完全放電時再次開始進行充電。這樣通過電容C1的反復充放電實現(xiàn)了濾波作用。（b）所示。 電容濾波電路圖 電容濾波電路波形圖 選擇濾波電容時需要滿足下式的條件：RC≥(3~5)T2 （27）方案二：電感濾波電路。電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達到濾波的作用，電感量越大濾波效果越好。電感濾波電路帶負載能力比較好，多用于負載電流很大的場合。 電感濾波電路圖電容濾波結構簡單。由于大容量濾波電容的廣泛使用，克服了濾波效果稍差的缺點，廣泛用于各類電源電路。方案三：RC濾波電路 使用兩個電容和一個電阻組成RC濾波電路，又稱π型RC濾波電路。這種濾波電路由于增加了一個電阻R1，使交流紋波都分擔在R1上。R1和C2越大濾波效果越好，但R1過大又會造成壓降過大，減小了輸出電壓。一般R1應遠小于R2。 RC濾波電路圖方案四：LC濾波電路 與RC濾波電路相對的還有一種LC濾波電路，這種濾波電路綜合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負載能力強的優(yōu)點。 LC濾波電路圖以下是上述各種濾波電路的對比： 不同濾波方式的優(yōu)劣對比表電路名稱濾波效果輸出電壓輸出電流應用特點電容濾波稍差高稍小結構簡單。由于大容量濾波電容的廣泛使用，克服了濾波效果稍差的缺點，廣泛用于各類電源電路。電感濾波較差低大電源電路中較少使用。RC濾波較好較高小常用于電子管收音機電路和各種高低頻退耦電路。LC濾波很好高稍小電源電路中較少使用。通過對比，我們選擇采用電容濾波方案。 分立元件和集成可調(diào)穩(wěn)壓器 方案一：采用集成穩(wěn)壓芯片。集成穩(wěn)壓芯片也有很多，有固定電壓輸出的LM78XX及LM79XX系列，也有可調(diào)輸出穩(wěn)壓芯片，～37V，還有最大輸出電流5A的LM338K和LM317K，使用集成芯片時外圍硬件電路設計比較簡單，穩(wěn)壓精度相對比較高，短路及過載等保護功能完善，但是要實現(xiàn)更大的輸出電流就需要進行并聯(lián)輸出，對于并聯(lián)的元件參數(shù)有較高的要求，而且由于穩(wěn)壓芯片內(nèi)部存在壓降，輸出電壓都不能從0V起調(diào)，要實現(xiàn)輸出0V起可調(diào)必須把ADJ腳加上負電平，而且對負電平的大小要求比較精確，這樣的話要達到0V輸出就比較困難。方案二：采用分立元件