【正文】 段，一方面得益于國(guó)家自然基金的資助與激勵(lì)，另一方面市場(chǎng)對(duì)電源的需求不斷增大，電源產(chǎn)業(yè)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，在創(chuàng)新意識(shí)的指導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了跟蹤國(guó)際多方面前沿課題的研究，使我國(guó)的電源技術(shù)的研究從引進(jìn)吸收消化，過(guò)渡到一般的跟蹤發(fā)展，再到前沿跟蹤與基礎(chǔ)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(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)，而且還生產(chǎn)出一大批具有國(guó)際領(lǐng)先水平的代表性產(chǎn)品。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的電源產(chǎn)業(yè)還存在很大的差距和不足，一方面國(guó)內(nèi)的數(shù)控電源主要是利用單片機(jī)或者可編程邏輯器件來(lái)控制穩(wěn)壓電源調(diào)整管的開(kāi)關(guān)程度來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控，這樣的控制方法和國(guó)外相比，電源的效果不是很理想。另一方面雖然國(guó)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(duì)預(yù)置輸入的查表控制與輸出的數(shù)字顯示，總體來(lái)講國(guó)內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源在電源的可靠性、質(zhì)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(cè)設(shè)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(luò)化的研究方面，我國(guó)還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，這無(wú)疑是對(duì)我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。 發(fā)展方向直流穩(wěn)壓電源技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)日益成熟，但是隨著科技的發(fā)展以及未來(lái)社會(huì)對(duì)電源設(shè)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(lái)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(kāi)發(fā)高性能、高精度的儀器儀表時(shí)，幾乎全部采用單片機(jī)以及可編程邏輯器件來(lái)實(shí)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(shí)又具有測(cè)量的功能，而在儀器儀表故障中大約60%是因?yàn)殡娫茨K故障，因此在很大程度上電源模塊的質(zhì)量直接決定儀器儀表的質(zhì)量，以單片機(jī)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(méi)有解決的問(wèn)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(shí)現(xiàn)智能化也是大勢(shì)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(shí)所受的電動(dòng)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(gè)模塊并聯(lián)使用，增加系統(tǒng)的冗余，分擔(dān)負(fù)載，擴(kuò)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(pán)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(chǔ)上的，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依托于硬件電路，對(duì)硬件電路的要求比較高，而數(shù)字化的電源采用先進(jìn)的控制算法，軟件可以實(shí)現(xiàn)濾波等功能，可以避免模擬信號(hào)的畸變失真、提高抗干擾能力、便于計(jì)算機(jī)處理控制、并大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。第2章 線性穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)思路及方案論證 初步設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體框圖 系統(tǒng)整體框圖 設(shè)計(jì)思路直流線性穩(wěn)壓電源的實(shí)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(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)完成一個(gè)能滿足日常實(shí)驗(yàn)及工作需要的實(shí)用電源，對(duì)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(jī)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(fù)反饋設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)輸出的數(shù)控直流線性穩(wěn)壓電源，以下是對(duì)本此設(shè)計(jì)的電源各個(gè)模塊單元的論證。 各個(gè)模塊方案論證 控制器的選擇方案一：采用51單片機(jī)作為主控制器?？刂仆鈬娐愤M(jìn)行電壓電流采集、電壓電流的設(shè)定、鍵盤(pán)和液晶顯示的控制，由于常用的51單片機(jī)沒(méi)有集成A/D、D/A，內(nèi)部的資源較少，外部中斷只有兩個(gè)，因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)控控制比較困難，會(huì)造成邏輯電路比較復(fù)雜，且靈活性較低，還需加擴(kuò)展A/D、D/A及存儲(chǔ)芯片，不利于各種功能的擴(kuò)展。方案二：采用MSP430單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。MSP430F169是TI公司的16位低功耗系列單片機(jī)，它集成了兩個(gè)帶捕獲/比較功能的16位定時(shí)器，擁有8通道12位高速的A/D轉(zhuǎn)換模塊和兩個(gè)獨(dú)立的12位的D/A轉(zhuǎn)換模塊，而且內(nèi)部集成硬件乘法器，大大提升了MCU的運(yùn)算速度。芯片集成度高，簡(jiǎn)化了硬件單路，此系統(tǒng)硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，多數(shù)功能可由軟件實(shí)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(gè)方案，經(jīng)過(guò)比較分析采用TI 公司的MSP430F169作為本次設(shè)計(jì)的控制芯片。 關(guān)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)，但是電位器使用較長(zhǎng)時(shí)間后容易接觸不良，而且不容易實(shí)現(xiàn)精確控制。方案二：PWM濾波模擬D/A。利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理以后得到與占空比一一對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，利用此電平信號(hào)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(jī)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(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的模擬量，兩者的對(duì)用關(guān)系僅與參考電壓有關(guān)，線性度號(hào)，D/A芯片的穩(wěn)定性好、精度高，但是價(jià)格昂貴。綜上三種設(shè)計(jì)方案，由于MSP430F169內(nèi)部集成兩個(gè)獨(dú)立的12位D/A，而且具有外部參考電壓，可以達(dá)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(yīng)用電路，它的作用是將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能供給直流用電設(shè)備。整流電路可以從不同的角度進(jìn)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(jié)構(gòu)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(cè)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(fù)載。B1的次級(jí)輸出電壓是一個(gè)方向及大小都隨時(shí)間變化的正弦波電壓，（a）所示，0～π期間是這個(gè)電壓的正半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為正下端為負(fù)，二極管D1正向?qū)?，電源電壓加到?fù)載R1上，負(fù)載R1中有電流通過(guò)；π～2π期間是初級(jí)電壓的負(fù)半周，這時(shí)B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，二極管D1反向截止，沒(méi)有電壓加到負(fù)載R1上，負(fù)載R1中沒(méi)有電流通過(guò)。在以后的周期中也將周期重復(fù)上述過(guò)程，這樣電源負(fù)半周的電壓波形被“削”掉，得到一個(gè)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(shí)間變化，我們稱為脈動(dòng)直流。 半波整流電路圖 半波整流電路波形圖設(shè)B1初級(jí)電壓為E，則理想狀態(tài)下負(fù)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(fù)半周也利用起來(lái)，這樣就有了全波整流電路。相對(duì)半波整流電路，全波整流電路多用了一個(gè)整流二極管D2，變壓器B1的次級(jí)也增加了一個(gè)中心抽頭。這個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)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(jí)上端為正下端為負(fù)，D1正向?qū)?，電源電壓加到R1上，R1兩端的電壓上端為正下端為負(fù)，（b）所示，；在π～2π期間B1次級(jí)上端為負(fù)下端為正，D2正向?qū)ǎ娫措妷杭拥絉1上，R1兩端的電壓還是上端為正下端為負(fù)，（c）所示。在2π～3π、3π～4π等后續(xù)周期中重復(fù)上述過(guò)程，這樣電源正負(fù)兩個(gè)半周的電壓經(jīng)過(guò)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(fù)，（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(shè)B1次級(jí)電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)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(gè)整流二極管上流過(guò)的電流只是負(fù)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(lái)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(gè)整流二極管。由于四個(gè)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(jí)上端為正，下端為負(fù)，整流二極管D4和D2導(dǎo)通，電流由變壓器B1次級(jí)上端經(jīng)過(guò)DRD2回到變壓器B1次級(jí)下端；，B1次級(jí)下端為正，上端為負(fù)，整流二極管D1和D3導(dǎo)通，電流由變壓器B1次級(jí)下端經(jīng)過(guò)DRD3回到變壓器B1次級(jí)上端。R1兩端的電壓始終是上正下負(fù)，其波形與全波整流時(shí)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(shè)B1次級(jí)電壓為E，理想狀態(tài)下負(fù)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(gè)整流二極管上流過(guò)的電流是負(fù)載電流的一半，與全波整流相同。 橋式整流電路簡(jiǎn)化形式橋式整流電路相對(duì)其他幾個(gè)整流電路有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）橋式整流電路的交流利用率為100%，利用率比較高。（2）每個(gè)二極管承擔(dān)的最大反向電壓為2 倍的交流峰值電壓。（3）流過(guò)每個(gè)二極管的負(fù)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(yuǎn)好于其他兩種整流電路，而且硬件也不復(fù)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(guò)整流后得到的是脈動(dòng)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(shè)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(dá)到濾波的作用。在脈動(dòng)直流波形的上升段，電容C1充電，由于充電時(shí)間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動(dòng)直流波形的下降段，電容C1放電，由于放電時(shí)間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在C1還沒(méi)有完全放電時(shí)再次開(kāi)始進(jìn)行充電。這樣通過(guò)電容C1的反復(fù)充放電實(shí)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(shí)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(duì)脈動(dòng)直流的反向電動(dòng)勢(shì)來(lái)達(dá)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(fù)載能力比較好，多用于負(fù)載電流很大的場(chǎng)合。 電感濾波電路圖電容濾波結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，廣泛用于各類電源電路。方案三：RC濾波電路 使用兩個(gè)電容和一個(gè)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(gè)電阻R1，使交流紋波都分擔(dān)在R1上。R1和C2越大濾波效果越好，但R1過(guò)大又會(huì)造成壓降過(guò)大，減小了輸出電壓。一般R1應(yīng)遠(yuǎn)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(duì)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(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 LC濾波電路圖以下是上述各種濾波電路的對(duì)比： 不同濾波方式的優(yōu)劣對(duì)比表電路名稱濾波效果輸出電壓輸出電流應(yīng)用特點(diǎn)電容濾波稍差高稍小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，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(jī)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(guò)對(duì)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(shí)外圍硬件電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓精度相對(duì)比較高，短路及過(guò)載等保護(hù)功能完善，但是要實(shí)現(xiàn)更大的輸出電流就需要進(jìn)行并聯(lián)輸出，對(duì)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(shí)現(xiàn)輸出0V起可調(diào)必須把ADJ腳加上負(fù)電平，而且對(duì)負(fù)電平的大小要求比較精確，這樣的話要達(dá)到0V輸出就比較困難。方案二：采用分立元件