導語：如何才能寫好一篇直流穩壓電路的設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：Multisim 直流穩壓電源

中圖分類號：G719.21 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0181-04

Study of Circuit Design with Multisim Based on the Series

DC Regulated Power Supply

Li Yuelan

（Ningxia Vocational Technical College of Industry and Commerce，Yinchuan Ningxia，750001，China）

Abstract：This article is to analyse the series DC regulated power supply with multisim，there are lot of advantages with multisim，The first，quick and easy to build the circuit；The second，it can make theory touch with practice and make students improved comprehension greatly to theory.The third， it can make teaching steps be had the working process of the complete，the same to say， designing―welding―assembling―debugging，it is important basis for students to design circuit.

Key Words：Multisim；Series DC Regulated Power Supply

本文撰寫的背景是，《電子產品組裝與調試》是《電子技術》這門課程在工學結合課程模式下所產生的一門新課程，在新模式下所產生的《電子產品組裝與調試》課程與以往的《電子技術》課程相比優點在于：瓦解以前學科式章節模式，重新組合教學內容，使得教學內容以工作過程為導向，項目為載體；整個課程內容重點體現能力訓練、工作經歷相結合的教育模式；注重角色的變化，體現了學生為主體，教師為指導的角色扮演。高等職業教育開設《電子產品組裝與調試》課程培養的學生應該具備改造、設計電路；焊接、組裝電子產品；調試、維護產品的能力。現如今《電子產品組裝與調試》課程內容設計和組織課堂過程發現，這門專業核心課程整個內容注重學生組裝與調試能力突出，而改造、設計電路能力欠缺，甚至沒有。對于大專層次的學生，如果改造、設計電路能力不加重視，從而培養出來的學生與中專層次的學生就沒有了區別。為此，在《電子產品組裝與調試》課程中采用Multisim軟件，對每一電子產品原理圖的仿真分析可以提高學生對電路原理的理解，開拓學生電路設計的思路及其培養學生對電子產品設計的能力。

1 Multisim簡介

Multisim源于加拿大后期被美國NI公司（美國國家儀器公司）收購，其具有數千種電路元器件供實驗選用，虛擬測試儀器儀表種類齊全，可以設計、測試和演示各種電子電路。實現計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統的電子電路設計與試驗方法比較，具有設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便；實驗中不消耗實際元器件，實驗成本低，實驗速度快，效率高，設計和實驗成功的電路可以直接在產品中使用等特點。其解決理論教學與實際動手實驗相脫節的這一老大難問題，并很好的將設計環節展現在教學中。

2 串聯直流穩壓電源電路整體設計分析

串聯型穩壓電路以穩壓管穩壓電路為基礎，利用晶體管的電路放大作用，增加負載電流；在電路中引入電壓負反饋使輸出電壓穩定；并且通過改變的反饋網絡參數使輸出電壓可調。本文以具有放大環節串聯型穩壓電路為例進行分析，如圖1所示。

2.1 穩壓設計原理

當由于某種原因（如電網電壓波動或負載電阻的變化等）使輸出電壓U0升高（降低）時，取樣電路將這一變化趨勢送到集成運放的反向輸入端，并與同相輸入端電位UZ進行比較放大；集成運放的輸出電壓，即調整管的基極電位降低（升高）；因為電路采用的射極輸出形式，所以輸出電壓UO必然降低（升高），從而使UO得到穩定。

2.2 輸出電壓的可調范圍

在理想運放條件下，凈輸入電壓為零，即，則電位器滑到最上端時，輸出電壓最小，為：

，則電位器滑到最下端時，輸出電壓最大，為：

2.3 調整管的選擇

根據電路中元件選擇，變壓器二次側電壓有效值39.239 V，橋式整流及電容濾波電路得到V。調整管一般為大功率管，因而選用原則與功率放大電路中的功放管相同，主要考慮其極限參數，

，

。

3 串聯直流穩壓電源電路模塊設計分析

串聯直流穩壓電源電路如圖1所示，電路主要由整流濾波模塊，同相比例運算電路模塊，電壓串聯負反饋電路模塊，射極輸出器模塊組成。

3.1 橋式整流電容濾波電路

橋式整流電路工作原理如圖2所示，設變壓器二次側電壓為當為正半周時，電流由2點流出經1點到R1，再經4點到達3點，負載R1上的電壓當為負半周時，電流由3點流出經1點到R1，再經4點到達2點，負載R1的電壓。輸出電壓的平均值為。

橋式整流電容濾波電路工作原理如圖3所示，當二次側電壓處于正半周并且數值大于電容兩端電壓時，電流一路經負載R1，另一路對電容C充電，理想情況下，當上升到峰值后開始下降，電容通過負載R1放電，其電壓開始下降，趨勢與基本相同，但由于電容按指數規律放電，所以當下降到一定數值后，的下降速度小于，使得大于，從而導致二極管截止，電容C繼續通過R1放電，按指數規律緩慢下降。當的負半周與以上原理相同。由圖3中波形圖可以看出，經濾波后的輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值也得到提高。為了獲得較好的濾波效果，在實際電路中，應選擇濾波電容的容量滿足的條件，此時電容的耐壓值應大于。

3.2 同相比例運算電路

同相比例運算電路工作原理如圖4所示，左圖中根據理想集成運放工作在線性區時，滿足“虛短”和“虛斷”的概念，

，

右圖中，由基本原理可推到出

3.3 電壓串聯負反饋電路

同相比例運算電路和電壓串聯負反饋電路是一體，但此電路承擔兩種功能，工作原理如圖4所示，左圖中由于R1是輸入端與輸出端的連接元件，所以R1是反饋網絡。其是從輸出電壓取樣，通過反饋網絡得到反饋電壓，然后與輸入電壓相比較，求得差值作為凈輸入電壓進行放大，故此反饋類型是電壓串聯負反饋。由可得此反饋類型僅僅決定于，而與負載電阻無關，因此，可以將電路的輸出看成為電壓控制的電壓源，且輸出電阻為零。右圖中電阻是反饋電阻并且類型是電壓串聯負反饋，由：

可得是控制的電壓源，穩定輸出電壓。

3.4 射極輸出器電路

共集電極放大電路工作原理如圖5所示，共集電極放大電路是從發射極輸出的，所以簡稱射極輸出器，此電路的電壓放大倍數。

因此，小于1但近似等于1，即略小于，電路沒有電壓放大作用，此外，跟隨變化，故電路又稱為射極跟隨器。

3.5 采樣-電壓比較-穩壓-放大電路

采樣-電壓比較-穩壓-放大模塊也就是以上同相比例運算電路構成的電壓串聯負反饋電路、射極輸出器電路綜合體模塊。主要采用集成運放構成了深度電壓負反饋，輸出電阻趨近于零，因而輸出電壓相當穩定。輸出電壓如圖6所示，輸出電壓通過三極管構成的射極輸出器將其穩定，其穩壓電源可通過電阻R3調節其輸出電壓范圍，最大約為30 V，最小10 V。

4 結語

由上述仿真結果可知，先是具有放大環節的可調穩壓電源電路整體設計思路作以分析，然后對電路的每一模塊進行詳細的分析，電路的元器件其取值都將影響穩壓電源性能，從變壓、整流、濾波、電壓比較、穩壓到最終輸出電壓的可調，體現了電路整個設計思想和工作原理，結論與理論相一致。

現如今各高職院校在教學中，仿真軟件應用有兩種形式：Multisim以一門單獨EDA即電子自動化設計課程展開教學；《電子技術》課程在實驗部分有所應用，（教材中以獨立實驗的特點編寫，但真正很少實現）。問題所在：軟件和實體沒有有效的結合起來，理論中電路原理教學沒有應用到仿真軟件，不能快速有效提高學生理解能力；Multisim實驗教學形同虛設，在理論教學和實驗教學中由于軟件的配備、時間的分配等問題的存在不能夠實現仿真教學；《電子產品組裝與調試》作為一門基于工學結合的課程，現還是試探和完善階段，Multisim的應用還是個空白。

如果在教學中采用Multisim軟件，如以上串聯直流穩壓電源電路的分析過程，可以解決以上的問題。仿真軟件Multisim的引入，能夠快捷方便的搭建電路，預測電路的結果；大大縮減理論知識的教學時間，較短的時間將理論融會貫通，提高學生對電路工作原理的認識與理解的能力；使整個教學環節有一個完整的工作過程，即設計―焊接―組裝―調試的過程，更加完善工了學結合課程模式；為電路的改造和設計奠定基礎，為學生將來的可持續發展奠定基礎。

參考文獻

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篇2

【關鍵詞】Multisim 雙電源 仿真分析

LM117/LM317 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路，LM117/LM317 的輸出電壓范圍是1.2V至37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。LM117/LM317 內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。通常LM117/LM317 不需要外接電容，使用輸出電容能改變瞬態響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩壓器高的多的紋波抑制比。利用LM117/LM317設計出正負連續可調的雙電源，通過實驗測試和軟件仿真，基本上可以滿足絕大多數運算放大器所需要的電壓幅度。

一、MultiSim仿真軟件簡介

MultiSim是一款將電子電路設計及其測試分析相集成的電路設計仿真軟件。它具備信號源、基本元器件、模擬數字集成電路、指示器件、控制部件、機電部件等各類元器件，可以對各類電路進行仿真，并且提供十多種虛擬儀器（如示波器、萬用表、信號發生器、波特圖圖示儀、功率表等），以及18種仿真分析功能（如直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、直流掃描分析等）。由于元件庫中有若干個與實際元件相對應的現實性仿真元件模型，配合強大的仿真分析，使結果更精確、更可靠。

二、直流穩壓電源的理論基礎與電路設計原理分析

（一）直流穩壓電源的理論基礎

電子設備都需要穩定的直流電源供電，如基本放大電路中的集電極電源、運算放大器的雙電源等。這樣，就需要將市電電網的交流電，變換為直流電。對于小功率的直流電源，它一般由電源變壓、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成。如圖1所示：

（二）直流穩壓電源電路設計的基本原理

電源變壓器的作用時將220V的電網電壓變換成所需要的交流電壓值。

整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的大小、方向都變化的電壓較低的交流電轉換成單向脈動直流電。單相整流電路的類型有半波整流、橋式全波整流、中心抽頭全波整流等。

濾波電路的主要任務是將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波（單向脈動直流電中含的交流成分）濾除掉，使單向脈動電壓變成平滑的直流電壓。濾波電路的主要元件是電容和電感，以電容濾波電路最常用，其特點是電路簡單，輸出脈動較小，輸出電壓平均值增大，但輸出電壓隨負載變化較大。采用電容濾波時，輸出電壓的脈動程度與電容器的放電時間常數τ有關系，τ大一些，脈動就小一些，多采用大容量的電解電容。電容的耐壓值應大于它實際工作時所承受的最大電壓，耐壓值一般取所接工作電路電壓的1.5-2倍。為了降低輸出直流電壓的紋波系數（輸出電壓中交流分量占額定輸出直流電壓的百分比），正、負電源的濾波電路均采用一個1000μF/50V的電解電容。

濾波電路的輸出電壓雖已變得平滑，但輸出電壓隨負載變化較大，后面需接穩壓電路。穩壓電路的作用是當交流電源電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出穩定的直流電壓。穩壓電路的類型有分立元件穩壓和集成穩壓器穩壓，分立元件穩壓時，電路穩定性不好，而集成穩壓器穩壓具有體積小、電路簡單、穩壓精度高，可靠性高等優點，被廣泛采用。選擇集成穩壓器時應先確定穩壓器的類型，是固定式還是可調式，是正壓輸出還是負壓輸出，然后根據其額定電壓和額定電流選擇具體型號。

三、LM317、LM337正負連續可調的雙電源的仿真分析

運行Multisim10，在繪圖編輯器中選擇變壓器、整流二極管、電阻、電容、電位器、三端可調穩壓塊LM317、LM337等元件，組成LM317、LM337正負連續可調的雙電源電路。

調整電位器R5、R6，可以連續調節輸出電壓的大小。

其仿真的電路用波形如下圖所示。

四、結束語

應用Multisim10仿真軟件進行仿真教學，設計的雙直流穩壓電源的電路具有結構簡單、電源利用效率高、輸出電壓噪聲小、穩定精度高、可靠性高等特點，可以滿足高精度形狀測量儀的電感測頭信號處理電路中運算放大器的高穩定性的雙電源需求，增強整個測量系統的工作穩定性，最大限度地減小電源引起的測量誤差，提高測量精度。在課堂上使模擬電子技術教學更形象、靈活，更貼近工程實際，達到幫助學生理解原理，更好地掌握所學的知識的目的。尤其適用于綜合設計性實驗項目，可有效克服傳統實驗與實驗室開放的局限。通過對雙直流穩壓電源的分析設計、仿真測試可以看出，利用Multisim的虛擬電子實驗平臺，能實時直觀地反映電路設計的仿真結果，驗證電路正確性，可縮短設計周期，提高設計成功率。

學生可據所學知識和能力，自選實驗內容，自行設計電路方案，進行電路分析，從而掌握電子電路的設計與仿真分析過程，對提高學生動手能力和分析問題、解決問題的能力、綜合設計能力和創新能力，具有重要的意義。

參考文獻：

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關鍵詞：電子負載；恒流控制；負載調整率

1 概述

電子負載具有體積小，調節方便，工作方式靈活，性能穩定，精度高等優點，被廣泛應用于電源類產品和各類電子元器件的試驗、測試、檢定和老化環節。該方案基于盛群AD型單片機，設計了一種智能電子負載，與其他同類設計相比，具有直流穩壓電源負載調整率自動測試功能。

系統原理整個智能電子負載系統由單片機、恒流控制電路、功率負載器件、電壓電流檢測電路、過壓保護、供電電源等構成，系統原理框圖如圖1所示。

電子負載工作在定電流模式時，被測直流穩壓電源輸出的電流不變（以被測電源能提供相應電流為前提）。測試直流穩壓電源負載調整率時，連接好測試電路，按鍵選定電源負載調整率測試功能，輸入被測電源的額定電流、電壓值，即可自動測試被測電源的負載調整率。

2 硬件電路設計

設計恒流電路使流過功率負載器件的電流值與數/模轉換器的輸出電壓成線性關系。單片機控制數/模轉換器輸出電壓，使恒流控制電路控制功率負載器件流過所需電流。電壓電流檢測電路把被測電源的輸出電壓和電流線性地轉化成適合盛群單片機內部集成12位模/數轉換器測量的量程，單片機切換多通道模/數轉換器測量電壓和電流檢測電路的輸出電壓，完成測量被測電源輸出電壓和電流的功能。恒流及電壓電流檢測電路如圖2 所示，其中Q1 是功率負載器件，用于吸收被測電源輸出的功率。

圖2中數/模轉換器輸出的電壓經過電壓跟隨器U1B輸入運算放大器U3 的同相輸入端，運算放大器U3 通過采樣電阻R6，差分放大器U4 等建立了深度負反饋，將運算放大器看做理想的放大器，由“虛短”、“虛斷”可得：

UDAC=IR6A

式中：UDAC是數/模轉換器輸出的電壓；I 是流過功率負載器件的電流；A 是由差分放大器U4 及R4 ，R5 等所組成電路的放大倍數，差分放大器U4 選用的型號為INA2134。從式（1）中可以看出，流過功率負載器件的電流與數/模轉換器輸出的電壓成線性關系，因此可以通過單片機控制功率負載器件的電流。通過模/數轉換器分別測量圖2中ADC1 ，ADC2 處的電壓，可以得到被測負載電源輸出的電壓和電流.

被測電源輸出電壓U 與ADC1 處的電壓UADC1 之間關系式為：

被測電源輸出電流I 與ADC2 處的電壓UADC2 之間關系式為：

UADC2=IR6A

3 系統程序設計

系統程序采用模塊編程，主程序調用各模塊的方式實現。主要由定電流、被測電源輸出電壓檢測、被測電源輸出電流檢測、負載調整率自動測試、按鍵檢測、顯示驅動等模塊組成。

整個系統有兩個工作模式：定電流工作模式和負載調整率自動測試模式。

定電流工作模式同時顯示被測電源輸出的電壓和電流，系統上電后單片機首先進行各模塊的初始化，最后在主循環中不斷地檢測各個標志位，以判斷工作模式，通過檢測按鍵來改變標志位。

直流穩壓電源負載調整率S 表達式為：

式中：U 表示直流穩壓電源設定的額定電壓值；Uo 表示空載輸出的電壓值；Um表示滿載時的輸出電壓值。

直流穩壓電源負載調整率自動測試功能在定電流的基礎上進行編程實現，負載調整率自動測試流程圖如圖3所示。

4 結語

以盛群單片機HT45XX為主控芯片設計了一種新型智能電子負載，使運算放大器工作在深度負反饋條件下實現功率負載恒流，該單片機自帶12位ADC轉換器，選用12 位串行數/模轉換器，設計過壓過流保護電路，通過軟件編程實現直流穩壓電源負載調整率自動測試功能。實際設計與制作表明，該方案滿足設計要求。

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關鍵詞：直流，穩壓電源，設計

Abstract: power supply is designed in this paper is composed of two parts, respectively, step voltage output power group and the positive and negative double power group. AT89S52 microcontroller as the core of the design of the control device, with the help of DAC series of digital-analog conversion chip, LM317 and LM337 regulator and CD4051 as the transform of the output voltage. DC regulated power supply design has certain protective function, and can be conveniently on the voltage display, each with 0.1V step increasing or decreasing voltage, enough to satisfy many experimental situations.

Keywords: DC, DC power supply, design

中圖分類號：S611 文獻標識碼：A文章編號：

一、引言

直流穩壓電源是電子及電氣中常用的設備之一。傳統的直流穩壓電源功能簡單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。普通直流穩壓電源品種很多，但均存在以下問題：當輸出電壓需要精確輸出，困難較大。另外，常常通過硬件對過載進行限流或截流型保護，電路構成復雜，穩壓精度也不高。現設計精度簡易直流電源，克服了傳統直流電壓源的缺點，具有較高的應用價值。

二、本系統功能特點

(1)一組電源最大輸出電流可達2.5A，輸出電壓從0.0V～＋12.0V以0.1V步進連續可調（遞增或遞減），在輸出電壓在小于＋3V時，短路保護；當輸出電壓為＋3V～＋12V時輸出電流超過2.5A時保護。另一組電源最大輸出電流為1A，輸出電壓為：0.0V、±3.0V、±4.5V、±5.0V、±6.0V、±12.0V、±15.0V、±24.0V八種電壓依次可調。

(2)輸出端無論是過流還是短路，保護電路的動作都是以切斷輸出回路的方式工作，且當輸出短路不再存在或負載足夠輕時電路會自動恢復正常工作狀態。保護動作時兼有聲光報警信號。

(3)電路能夠將兩組電源的輸出電壓幅值實時直觀地顯示出來。

本文以AT89S52單片機為本設計的核心控制器件，借助于DAC系列數模轉換芯片將數字量轉換成模擬量，并通過I/U的轉換以電壓的形式輸出；運用LM317與LM337結合的方式作為穩壓器，用CD4051作為輸出電壓的變換。

三、系統硬件的設計與實現

系統硬件的結構框圖如下圖所示。主要由單片機、兩組電源、顯示、檢測與保護電路、報警電路及鍵盤輸入電路組成。

3.1、步進電壓輸出電源組工作原理

在這部分電路中主要的器件有單片機AT89S52、D/A轉換器DAC0832、運放OP07和電流放大所用三極管。其電路原理框圖如下圖所示。

工作原理：首先給各芯片正常工作的條件，先利用單片機產生一組8位二進制代碼并從P0口輸出，可以通過按鍵來調整單片機輸出二進制代碼的加1和減1。8位二進制范圍在00000000～11111111有效,再用此組二進制碼送到DAC0832的數據輸入端（DI0～DI7）,本系統是因D/A轉換簡單，故采用直通方式工作。與單片機電路連接如下圖所示。

在電流/電壓轉換之后用運算放大電路進行了4倍的電壓放大電路。電路連接如下圖所示。

3.2、常用正負雙電源組工作原理

該電源組輸出正負對稱的直流電壓，電壓值為8組實驗最為常用的電源：0.0V、±3.0V、±4.5V、±5.0V、±6.0V、±12.0V、±15.0V、±24.0V。為了確保用電安全，電路在開機狀態下必須能有0V的輸出功能。電路原理圖如下圖所示。

圖中二極管D1、D3的作用是輸入開路時，防止C13、C23通過LM317、LM337放電。D2、D4的作用是輸出端短路時，防止C12、C22向穩壓器的調整端放電。在LM317穩壓電路中，它的基準電壓為＋1.25V，輸出電流可達1.5A。圖中R1、R2為泄放電阻，其輸出電壓的改變通變換調整端的電阻予以實現。

3.3、保護電路工作原理

保護環節的硬件電路主要由取樣電路、A/D轉換電路、單片機、保護控制與報警電路四部分構成。構成框圖如下圖所示。

它能在輸出端短路或是負載過重導致的過流現象存在時動作，以切斷輸出回路保護電源本身不致損壞。其取樣電路采用阻值極小的大功率電阻，這里取值為0.1Ω，如下圖所示。

串聯電阻R2、R3的作用為了防止輸出端短路是的高電壓反饋到A/D轉換器的模擬量輸入端而導致其損壞。當輸出端連接上負載時，在取樣電阻就會有電流流過，并產生一定的壓降，并作為取樣信號送到A/D轉換電路進行模數轉換。

3.4、顯示電路工作原理

顯示電路運用了最為常用的1/3位A/D轉換集成電路ICL7107，由于該芯片要求正負雙電源供電。以ICL7107本身38腳產生振蕩信號作為資源，用一個六非門集成電路CD4069（或74LS04）與電阻電容構成負壓產生電路。而芯片參考電壓（36腳）仍用TL431提供。如下圖所示。

3.5、數控部分

數控部分是穩壓電源實現數字化控制的核心。以AT89S51單片機為控制核，采用DAC模塊實現穩壓電路的輸出控制，并由ADC模塊實現輸出電壓的測量，利用鍵盤和顯示模塊實現人機交互。鍵盤模塊采用4×4 矩陣鍵盤，實現輸出電壓的數字化設定和步進調整。而DAC模塊和ADC模塊都采用串行控制芯片，減少了單片機IO口的使用。

四、系統軟件設計

本系統的軟件用C語言編寫而成。包含主程序、D/A轉換程序、A/D轉換程序、保護動作程序幾個模塊組成。主程序流程圖如下圖所示。

由于設計使用的51系列單片機沒有SPI接口，故采用軟件模擬SPI的操作方法實現串行控制。在ADC采樣時，對輸出電壓進行多次采樣(如100次)，取其平均值作為采樣結果，否則采樣過于頻繁，測量不準確。而預設DAC輸出時，根據設定值預設一個DAC控制字，使輸出接近設定值。在微調DAC輸出時，只需對DAC控制字進行增1或減1操作即可。在鍵盤掃描時，如果按下的是數字鍵，則儲存數字; 如果按下的是單位鍵，則組合之前按下的各數字鍵，使之成為一個數值，作為新的設定值; 如果按下的是步長鍵，則可設置步長值; 如果按下的是步進鍵，則對DAC設定值按所設置的步長增或減，使輸出電壓步進變化。

五、結果分析

（1）由于選擇A/D與D/A轉換器精度遠高過指標要求的精度，且電路中所用的電阻均采用精密電阻，所以可以保證設定值和實際測量值的精度要求經過測試，誤差最大為0.06V。

（2）輸出端并聯大容量的電容濾波與優質高頻吸收電容（突波電容）,進一步降低輸出電壓的紋波系數。

六、結束語

本文介紹的電源以AT89S52單片機為核心控制器件，此電源不僅擁有完善的過流保護功能、直觀的電壓顯示、良好的穩定性和較大的輸出電流，而且能同時輸出常用正負雙電源和以0.1V步進遞增或遞減電壓，足以滿足眾多實驗場合的需求。

參考文獻

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篇5

[關鍵詞]穩壓 連續可調 電源設計

一、幾種設計方案及分析

(1)晶體管串聯式直流穩壓電路。該類電路中,輸出電壓UO經取樣電路取樣后得到取樣電壓,取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓,該誤差電壓對調整管的工作狀態進行調整,從而使輸出電壓發生變化,該變化與由于供電電壓UI發生變化引起的輸出電壓的變化正好相反,從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩壓值)。在基準電壓處設計輔助電源,用于控制輸出電壓能夠從0 V開始調節。

分析:單純的串聯式直流穩壓電源電路很簡單,但增加輔助電源后,電路比較復雜,由于都采用分立元件,電路的可靠性難以保證。

(2)采用三端集成穩壓器電路。一般采用輸出電壓可調且內部有過載保護的三端集成穩壓器,輸出電壓調整范圍較寬,設計電壓補償電路可實現輸出電壓從0 V起連續可調,因要求電路具有很強的帶負載能力,可用軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。

分析:該電路所用器件較少,成本低且組裝方便、可靠性高。在實際中,如果對電路的要求不太高,多采用此設計方案。

(3)用單片機制作的可調直流穩壓電源。電路可通過AT89CS51單片機控制繼電器改變電阻網絡的阻值,從而改變調壓元件的參數,使用軟啟動電路,獲得3～26V,驅動能力可達1.5A,同時可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。

分析:該電源穩定性好、精度高,并且能夠輸出±26V范圍內的可調直流電壓,且其性能優于傳統的可調直流穩壓電源,但是電路比較復雜,成本較高,使用于要求較高的場合。

二、實現方案

1.原理分析

①采樣電路:分別由滑動變阻器R5與電阻R4組成電阻分壓器,將輸出的直流電壓的V0一部分取出送到比較放大器,放大后控制調整環節,取樣電壓VE為:

在正常情況下,取樣電壓可近似等于基準電壓則有:

改變取樣電路的分壓比,就可以調節V0的大小。即調節滑動變阻器R5的大小,改變輸出。

②基準電壓:基準電壓是一個穩定度較高的直流電壓,利用發光二極管(綠色)的正向電壓特性,起“穩壓”作用。當二極管的正向電流ILED2變化不大時,其正向壓降VLED2≈1.9V比較穩定。用以作為調整比較的標準,R3是穩壓管的限流電阻。LED2兼做電源指示。

③比較放大電路:比較放大器是一個直流放大器,由VT3構成。將取樣電壓VE與其準電壓VLED2進行比較,二者的差值經T3放大后,控制(VT1、VT2)的調整管,用以穩壓輸出。

④調整電路:調整電路是穩壓電源的核心環節,輸出電壓的穩定是通過調整管的調節作用來實現的。穩定電路輸出的最大電流也主要取決于調整電路。所以調整管使用的參數不應超過器件的極限數據。

由電網電壓的波動或負載電流發生變化而使輸出電壓V0發生變化時,則有T1的自動調節,其穩壓過程:

當V0VEVB3IB3IC3VCE3(VBE2)IB1IC1VCE1V0

從而使V0基本不變。

⑤過載保護電路:串聯調整型的穩壓電源和負載是串聯的,當負載電源過大或短路時,大的負載電流和短路電流全部流過調整管,此時負載端的壓降小,幾乎全部的整流電壓Vc加在調整管的c和e的極之間。使調整管的βVce0、ICM、PCM超過正常值。調整管會很快燒壞。R2和LED1組成的過載及短路保護電路,因串聯調整型的穩壓電源調整管和負載是串聯的,當輸出過載(輸出電流過大),電阻R2上的壓降VR2增加到一定值后LED1導通,使調整管VT1、VT2的基極電流不再增大,限制了輸出電流的增加,起到限流保護作用。

附加功能:

(1)充電功能

本基礎電路的輸出端(可看作C3兩端)即可實現對電池等的充電功能。通過調節滑動變阻器R5的阻值,可實現對不同型號電池的充電功能。

(2)放大部分

將電壓放大,由于放大器最大輸出電壓的限制,故采用兩個放大器,兩放大器輸出電壓大小相等、符號相反。

(3)D/A轉換電路(數模轉換器)

D/A數模轉換電路一般采用DAC0832集成芯片

輸入用脈沖觸發。具體在本文后面有介紹。

2.電路圖(略)

三、電路參數設計

1.主要技術指標。(1)輸入電壓:AC: 0～220V。(2)輸出直流穩壓(Io=1.5A):Uo=26V。(3)輸出直流電流:額定值150mA,最大值300mA。(4)具有過載,短路保護,故障消除后自動恢復。(5)充電穩定電流:60mA(±10%),充電時間10-12小時。(6)工作溫度范圍:TA=0～50℃。

2.極限參數。可視具體情況而定。

3.電路參數(略)

四、問題及展望

1.輸出電壓Vo達不到要求的26V。在電路后增加兩個運放組成放大裝置來解決問題。同時增加電阻,這樣輸出電壓和輸出電流就都達到了實驗要求。

2.為使設計更加實用,要使得輸出的電壓更方便于他人,欲加裝DAC芯片使模擬信號轉變為數字信號,設計中也有涉及。

3.數碼管顯示數值停留在0不發生變化,這是因為放大電路中運放等的延遲作用!在延遲作用下,輸出電壓要經過一定時間的緩慢增加,然而DAC芯片卻在剛有電壓時觸發燈就亮了,即數碼顯示管數值定在00不再發生變化。將DAC的觸發電平換成脈沖觸發,就能使數碼管“動”起來。

4.但是DAC電路中仍有不足,是顯示數碼管顯示的是十六位進制的數轉化為二進制的數,有待進一步的研究和設計。

參考文獻:

篇6

【關鍵詞】穩壓電源；斬波電路；單片機；PWM；IGBT

直流穩壓電源是一種常見的電子設備，被廣泛的應用與各個領域。目前市面上使用的直流電源大部分是線性電源，而線性直流穩壓電源由分立器件組成，存在體積大、效率低、可靠性差、操作不便、故障率高等缺點。隨著電子技術的迅猛發展，各種電子設備對電源性能的要求越來越高。穩壓電源日益朝著小型化、高效率、模塊化、智能化方向發展。

本文介紹了一種以單片機系統為核心的新型可調直流穩壓電源的設計，他主要由斬波電路和AT89S52單片機控制系統構成。它具有體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的20～30%）、效率高（一般為60～70%，而線性電源只有30～40%）、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優點。而且價格低廉，操作簡單。具有較高的應用價值。

1.系統的總體設計

該系統由兩部分組成，即主電路和控制電路。如圖1 所示，主電路由整流濾波電路、IGBT斬波電路、濾波電路組成；控制電路由控制電源、AT89S52單片機系統、IGBT驅動電路、ADC模數轉換電路、8279鍵盤顯示電路、檢測保護電路組成。

主電路中整流濾波電路采用常用的三相橋不可控整流器，將電網的三相交流電壓轉換成直流，再經電容濾波得到平滑的直流電壓。穩壓電路是由大功率器件IGBT實現的降壓斬波電路。

控制電路以AT89S52單片機為邏輯控制器，用于控制邏輯的實現。鍵盤和顯示電路作為人機交互，用于顯示和設定系統數據。ADC0809模數轉換電路將系統實時電壓反饋給單片機，由單片機進行處理。檢測保護電路的作用是保護ADC0809檢測電路，由于系統輸出電壓較高，不能直接接入ADC0809檢測電路，需要通過檢測保護電路將系統輸出電壓轉換到ADC0809能夠檢測的范圍才能接入電壓檢測電路。

2.控制電路設計

2.1 控制系統的核心—AT89S52

AT89S52作為該系統的核心，其主要作用為產生并輸出PWM波，他根據系統設定電壓，調整PWM波的占空比，PWM波作為IGBT驅動電路的輸入信號，從而調整輸出電壓，通過ADC轉換電路獲得實際輸出電壓，并與系統反饋的電壓值進行比較，對占空比進行微調，是系統達到所需的輸出電壓。另外，它還用于鍵盤數據的讀取和顯示數據的刷新。

2.2 人機交互——鍵盤顯示電路設計

本系統設計了鍵盤和數碼管顯示功能，用于設定和顯示系統數據。鍵盤和數碼管采用儀表中常用的驅動芯片8279進行控制。8270芯片為一種可編程鍵盤與顯示接口芯片，該芯片編程簡單，能夠自動掃描，并且與單片機接口方便，已經成為設計單片機應用系統的優選器件之一。以8279為控制芯片的鍵盤和數碼管顯示電路如圖2 所示，鑒于本系統所需顯示和設定的數值較少，故采用4個8段數碼管來顯示系統數據。鍵盤為4X4掃描式鍵盤，16個按鍵中，10個按鍵為0～9的數字按鍵，另外6個按鍵為功能選擇和設定按鍵。

8279以A0來區分信息特征，當A0=0時，單片機讀出為數據；當A0=1時，單片機讀出數據位芯片狀態字，寫入數據為控制命令。8279內部有兩個數據緩沖區，即一個16字節的顯示數據緩沖區和一個8字節的鍵盤數據緩沖區，顯示數據時，只需要將需要顯示的數據寫入顯示緩沖區即可。當有按鈕閉合時，8279會自動去抖，并掃描鍵值，最后將鍵值存入鍵盤數據緩沖區，單片機只需要從數據緩沖區中讀取數據即可得到鍵值，編程簡單。

2.3 ADC0809模數轉換電路設計

ADC0809是較為常用的一款逐次逼近式A/D模數轉換芯片，它是帶有微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件，具有8位A/D轉換器和8路多路開關，可以和單片機直接接口。ADC0809的組成包括：

一個8路模擬開關；

一個地址鎖存與譯碼器；

一個A/D轉換器；

一個三態輸出鎖存器。

多路開關可分時選通8個模擬通道，芯片允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，OE為低電平時，說明A/D轉換器正在進行模擬量的轉換，只有當OE端為高電平時，鎖存器讀取轉換完的數據。

2.4 IGBT驅動電路設計

日本富士公司推出的厚膜驅動集成電路EXB841是專門的IGBT驅動芯片，適合驅動1200V/300A 以下的IGBT模塊。EXB841為高速型驅動模塊，具有隔離強度高、反應速度快、能夠過流保護等優點，市場占有率較高。該驅動電路如圖3所示，EXB841的15引腳外加PWM控制信號，當觸發脈沖信號施加于14和15引腳時，在GE兩端產生約16V的IGBT開通電壓；當觸發控制脈沖撤銷時，在GE兩端產生-5.1V的IGBT關斷電壓。

3.系統的軟件設計

整個系統程序采用模塊化設計方法，主要包括系統初始化模塊、模擬電壓讀取模塊、顯示模塊、按鍵處理模塊、PWM脈寬調制模塊和看門狗模塊等。

看門狗模塊分為初始化子程序和喂狗子程序兩部分，初始化子程序用于啟用看門狗功能和初始化看門狗定時器，本系統設看門狗定時器時間為2S，若2S時間內，沒有執行喂狗程序，則看門狗電路發出復位信號，系統程序自動復位。

開機后，首先調用初始化子程序，初始化系統，此時系統按照默認參數，計算PWM占空比，并由定時器0和定時器1生成1KHZ的PWM波，由P2.3輸出。由定時器2產生一個10MS的定時器中斷，中斷程序中讀取實際電壓，然后與設定電壓比較，根據誤差調整PWM波的占空比，使實際值逐漸趨近設定值。然后刷新輸出，由數碼管顯示系統實時電壓。

當有按鍵按下時，系統進入外部中斷子程序，此時在外部中斷子程序中調用按鍵處理子程序，來實現系統電壓值的設定。

PWM波的調制程序是系統軟件的關鍵所在，它的功能好壞直接影響系統的穩定性。它由定時器0和定時器1通過中斷生成。定時器0和定時器1都工作在定時方式1，定時時間到出發相應中斷。由定時器1控制PWM波周期，定時器0控制PWM波的占空比。當定時器1產生中斷時，置位PWM輸出口P2.3，同時啟動定時器0。當定時器0中斷發生時，中斷程序復位P2.3，同時關閉定時器0。這樣只需要調整定時器0的定時時間即可調整PWM波形的占空比。

定時器2產生一個10MS的中斷，該中斷程序用于調整PWM波的占空比，其流程圖如圖5所示，首先讀取實際電壓，然后與設定電壓作比較，根據誤差改變定時器0的定時時間，調整公式如下：

其中：為本次中斷定時器0的初始設定值；

為上次中斷時0的初始設定值；

為比例系數；

為設定電壓與反饋電壓的差值。

經過實際調試，當k取1.5時，系統能夠達到較好的穩壓效果。

4.結束語

通過系統調試，程序沒有出現錯誤，得到的輸出電壓穩定可靠，采用鍵盤和數碼管顯示作為人機交互，操作簡單方便，智能化相對來說比較高。用戶反映良好。

基于單片機控制的直流穩壓電源采用了先進的單片機控制技術、完善的保護電路及專用高性能基準穩壓源元件，具有穩壓精度高、紋波干擾小、安全可靠等特性，故可廣泛應用于國防、科技、生產等領域。

參考文獻

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篇7

【關鍵詞】電流脈寬調制;PWM;Pspice

1.概述

電源是電子設備的心臟部分，其質量的好壞直接影響電子設備的可靠性，電子設備故障60%來自電源，開關穩壓電源的調整工作在開關狀態，主要優越性是高達70%-95%變換效率。

目前，空間技術、計算機、通信、雷達、電視及家用電器中的穩壓電源已逐步被開關電源取代。開關穩壓電源的優越性主要表現在：功耗小，穩壓范圍寬，體積小、重量輕[1] [2]。

傳統的線性電源具有穩壓性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優點，但工頻變壓器體積龐大，調整管工作于線性放大狀態，導致電源功耗大、效率低、發熱嚴重。開關電源采用功率管作為開關器件，工作于開關狀態，損耗小;工作頻率在幾十到上百千赫茲，濾波電容、電感的數值較小。線性穩壓電源允許電網波動范圍為220v×（1±10%）， 對電網的適應能力很強。另外，由于功耗小、機內溫升低，提高了整機的穩定性和可靠性[3]。

2.系統整體概述

開關電源可分成：機箱（或機殼）、電源主電路、電源控制電路三部分。機箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用;電源主電路負責進行功率轉換，通過適當控制電路將市電轉換為所需的直流輸出電壓;控制電路根據實際需要產生主電路所需的控制脈沖及提供保護。開關電源的結構框圖如圖1所示：

圖1 開關電源的結構框圖

電源主電路通過輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出整流濾波將市電轉為所需的直流電壓。開關電源主回路可以分為：輸入整流濾波回路、功率開關橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路通過整流模塊將交流電變換成含有脈動成分的直流電，通過輸入濾波電容使脈動直流電變為較平滑的直流電;功率開關橋將濾波所得直流電變換為高頻方波電壓，通過高頻變壓器傳送至輸出側。由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波為所需直流電壓或電流。

控制電路為主回路提供正常功率變換所需的觸發脈沖。具有以下功能：控制脈沖產生電路、驅動電路、電壓反饋控制電路、各種保護電路、輔助電源電路[4] [5]。

3.軟開關技術

軟開關技術指零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）。圖4所示為功率開關管在軟開關及硬開關下的波形：

圖2 軟開關理想波形和硬開關波形

軟開關包括軟開通和軟關斷。軟開通包括零電流開通及零電壓開通，軟關斷包括零電流關斷及零電壓關斷，可按照驅動信號時序來判斷。

零電流關斷：關斷命令在t2時刻或其后給出，開關器件端電壓由通態值上升到斷態值，開關器件進入截止狀態。

電壓關斷：關斷命令在t1時刻給出，開關器件電流由通態值下降到斷態值后，端電壓由通態值上升到斷態值，開關器件進入截止狀態。在t2前，開關器件端電壓必須維持在通態值（約等于零）。

零電壓開通：開通命令在t2時刻或其后給出，開關器件電流由斷態值上升到通態值，開關器件進入導通狀態。在t2前，開關器件端電壓必須下降到通態值（約等于零），電流上升到通態值以前維持在零。

零電流開通：開通命令在t1時刻給出，開關器件端電壓由斷態值下降到通態值以后，電流由斷態值上升到通態值，開關器件進入導通狀態。在t2以前開關器件電流必須維持在斷態值（約等于零）[6] [7]。

圖3 電源控制電路框圖

4.控制電路

根據電路功能將控制電路分為幾部分：脈沖產生電路、觸發電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護電路、輔助電源電路等[8]，控制電路如圖3所示。

脈沖產生電路是控制電路的核心。脈沖產生電路根據電壓反饋控制電路、保護電路及軟啟動電路等提供的控制信號產生所需脈沖信號，該脈沖信號經過觸發電路的放大驅動開關元件，使開關管導通或關斷。

控制電路輸出的PWM信號，電平幅值和功率能力均不足以驅動大功率開關元件，需要選擇合適的驅動電路。驅動電路將控制電路輸出PWM脈沖信號經過電隔離后進行功率放大及電壓調整驅動大功率開關管，脈沖幅度以及波形關系到開關管的開關過程，直接影響損耗，需合理設計驅動電路，實現開關管最佳開通與關斷[9][10]。

5.系統仿真

5.1 總電路設計

利用理想電源代替振蕩器，通過設置時鐘周期給定振蕩頻率，仿真時控制震蕩頻率外接定時電阻和電容的6、7腳均可不接。簡化輸出電路，利用兩個晶體管模擬輸出級，關閉控制端用數字激勵驅動，內部邏輯利用數字仿真器進行仿真。電路參數選擇和設計時，應考慮上述簡化對系統的影響[11] [12]。

圖4 總電路設計圖

5.2 PWM模塊

根據PWM產生的原理得到仿真模塊，用以產生可調的PWM信號。工頻脈沖信號，通過比較器，經積分器產生三角鋸齒波，通過比較取符號產生一路脈沖信號，由分頻器產生兩路互補驅動脈沖，輸入調節PWM信號的占空比[13]。

圖5 PWM仿真圖

6.結論

采用組合式變換器實現多路輸出、多種保護。通過Pspice仿真，驗證了設計思路的正確，理論性的可實現。

參考文獻

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篇8

關鍵詞： 直流開關電源；開關電源；設計

1 直流穩壓電源概述

直流穩壓電源在一個典型系統中擔當著非常重要的角色。從某種程度上可以看成是系統的心臟。電源的系統的電路提供持續的、穩定的能源，使系統免受外部的干擾，并防止系統對其自身產生的傷害。如果電源內部發生故障，不應造成系統的故障，而確保系統安全可靠運行。因此，人們非常重視系統直流電源的設計或選用。直流穩壓電源通常分為線性穩壓和開關穩壓兩種類型。

1.1 線性穩亞電源

線性穩壓電源是指起電壓調整功能作用的器件始終工作在線性放大區的直流穩壓電源，期工作原理如圖1。

它由50 工頻變壓器、整流器、濾波器以及串聯調整穩壓器組成。

線性穩壓電源的優點是具有優良的紋波及動態響應特性。但同時存在以下缺點：輸入采用50 工頻變壓器，體積龐大且和很重；電壓調整器件工作在線性放大區內，損耗大，效率低；過載能力差。

線性電源主要應用在對發熱和效率要求不高的場合，或者要求成本及設計周期短的情況。線性電源作為板載電源廣泛應用于分布電源系統中，特別是當配電電壓低于40V時。線性電源的輸出電壓只能低于輸入電壓，并且每個線性電源只能產生一路輸出。線性電源的效率在百分之三十五到百分之五十之間，損耗以熱的形式耗散。

1.2 PWM開關穩壓電源

一般將開關穩壓電源簡稱開關電源，開關電源與線性穩壓電源不同，它是起電壓調整功能作用的器件，始終工作在開關狀態。開關電源主要采用脈寬調制技術。

開關電源的優點；

1）功耗小、效率高。電源中開關器件交替地工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度快，這使得開關管的功耗很小，電源的效率可以大幅度提高，可達到百分之九十到百分之九十五。

2）體積小、重量輕。開關電源效率高，損耗小，則可以省去較大體積的散熱器；隔離變壓用高頻變壓器取代工頻變壓器，可大大減小體積，降低重量；因為開關頻率高，輸出濾波電容的容量和體積大為減小。

3）穩壓范圍寬。開關電源的輸出電壓由占空比來調節，輸入電壓的變化可以通過調節占空比的大小來補償，這樣在工頻電網電壓變化較大時，它仍然能保證有較穩定的輸出電壓。

4）電路形式靈活多樣。設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同的應用場合的開關電源。

開關電源的缺點主要是：存在開關噪聲大。在開關電源中，開關器件工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采用一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重影響整機的正常工作。此外，這些干擾還會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備、和家用電器收到干擾。因此設計開關電源時，必須采取合理的措施來抑制其本身產生的干擾。

PWM開關電源在使用時比線性電源具有更高的效率和靈活等特點。因此，在便攜式產品、航空和自動化產品、儀器儀表以及通訊系統等，要求高效率、體積小、重量輕和多組電源電源輸出的場合，得到了廣泛的應用。但是開關電源的成本高，而且需要開發周期較長。

2 開關電源的設計

2.1 開關電源的工作原理

開關電源主要采用直流斬波技術，即降壓變換、升壓變換、變壓器隔離的DC/DC變換電路理論和PWM控制技術來實現的。具有輸入、輸出隔離的PWM開關電源工作原理框圖，如圖2所示。

50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓經EMI防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波；然后再將濾波后的直流電壓經變換電路變換為數十千赫或數百千赫的高頻方波或準方波電壓，通過高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經高頻整流、濾波電路；最后輸出直流電壓。通過取樣、比較、放大及控制、驅動電路，控制變換器中功率開關管的占空比，便能得到穩定的輸出電壓。在直流斬波控制中，有定頻調寬、定寬調頻和調頻調寬3種控制方式。定頻調寬是保持開關頻率（開關周期T）不變，波形如圖3所示。

通過改變導通時間高。而定寬調頻則是保持導通時間T on不變，通過改變開關頻率，來達到改變占空比的一種控制方式。由于調頻控制方式的工作頻率是不固定的，造成濾波器設計困難，因此，目前絕大部分的開關電源均采用PWM控制。

2.2 開關電源的主要性能指標

開關電源的質量好壞主要由其性能指標來體現。因此，對于設計者或使用者來講，都必須對其內容有一個較全面的了解。一般性能指標包括電氣指標、機械特性、適用環境、可靠性、安全性以及生產成本等。這里僅介紹常見的電氣指標。

2.2.1 輸入參數

輸入參數包括輸入電壓、交流或直流、頻率、相數、輸入電流、功率因數以及諧波含量等。

1）輸入電壓：國內應用的民用交流電源電壓三相為380V，單相為220V；國外的電源需要參出口國電壓標準。目前開關電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相交流85～265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓，但對電源的設計提出了較高的要求。輸入電壓范圍的下限影響變壓器設計時電壓比的計算，而上限決定了主電路元器件的電壓等級。輸入電壓變化范圍過寬，使設計中必須留過大裕量而造成浪費，因此變化范圍應在滿足實際要求的前提下盡量小。

2）輸入頻率：我國民用和工業用電的頻率為50Hz，航空、航天及船舶用的電源經常采用交流400Hz輸入，這時的輸入電壓通常為單相或三相115V。

3）輸入相數：三相輸入的情況下，整流后直流電壓約是單相輸入時的1.7倍，當開關電源的功為3～5kW時，可以選單相輸入，以降低主電路器件的電壓等級，從而可以降低成本；當功率大于5kW時，應選三相輸入，以避免引起電網三相間的不平衡，同時也可以減小主電路中的電流，以降低損耗。

4）輸入電流：輸入電流通常包含額定輸入電流和最大電流2項，是輸入開關、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設計依據。

5）輸入功率因數和諧波：目前，對保護電網環境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區都已出臺相應的標準，對用電裝置的輸入諧波電流和功率因數做出較嚴格的規定，因此開關電源的輸入諧波電流和功率因數成為重要指標，也是設計中的一個重點之一。目前，單相有源功率因數校正（FPC）技術已經基本成熟，附加的成本也較低，可以很容易地使輸入功率因數達到0.99以上，輸入總諧波電流小于5%。

2.2.2 輸出參數

輸出參數包括輸出功率、輸出電壓、輸出電流、紋波、穩壓精度、穩流精度、輸出特性以及效率等。

1）輸出電壓：通常給出額定值和調節范圍2項內容。輸出電壓上限關系到變壓器設計中電壓比的計算，過高的上限要求會導致過大的設計裕量和額定點特性變差，因此在滿足實際要求的前提下，上限應盡量靠近額定點。相比之下，下限的限制較寬松。

2）輸出電流：通常給出額定值和一定條件下的過載倍數，有穩流要求的電源還會指定調節范圍。有的電源不允許空載，此時應指定電流下限。

3）穩壓、穩流精度：通常以正負誤差帶的形式給出。影響電源穩壓、穩流精度的因素很多，主要有輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化及器件老化等。通常精度可以分成。3項考核：① 輸入電壓調整率；② 負載調整率；③ 時效偏差。同精度密切相關的因素是基準源精度、檢測元件精度、控制電路中運算放大器精度等。④ 電源的輸出特性：與應用領域的工藝要求有關，相互之間的差別很大。設計中必須根據輸出特性的要求，來確定主電路和控制電路的形式。⑤ 紋波：開關電源的輸出電壓紋波成分較為復雜，通常按頻帶可以分為3類： 高頻噪聲，即遠高于開關頻率 的尖刺；開關頻率紋波，指開關頻率 附近的頻率成分； 低頻紋波，頻率低于的 成分，即低頻波動。

對紋波有多種量化方法，常用的有紋波系數、峰峰電壓值、按3種頻率成分分別計量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是電源的重要指標，它通常定義為η=Po/Pi×100%。式中，Pi為輸入有功功率；Po為輸出功率。通常給出在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。對于開關電源來說，效率提高就意味著損耗功率的下降，從而降低電源溫升，提高可靠性，節能的效果明顯，所以應盡量提高效率。一般來說，輸出電壓較高的電源的效率比輸出低電壓的電源高。

2.2.3 電磁兼容性能指標

電磁兼容也是近年來備受關注的問題。電子裝置的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時可能導致致命的后果，如在飛行的飛機機艙內使用無線電話或便攜式電腦，就有可能干擾機載電子設備而造成飛機失事。電磁兼容性包含2方面的內容：

電磁敏感性、電磁干擾分別指電子裝置抵抗外來干擾的能力和自身產生的干擾強度。通過制定標準，使每個裝置能夠抵抗干擾的強度遠遠大于各自發出的干擾強度，則這些裝置在一起工作時，相互干擾導致工作不正常的可能性就比較小，從而實現電磁兼容。

因此，標準化對電磁兼容問題來說十分重要。各國有關電磁兼容的標準很多，并且都形成了一定的體系，在開關電源設計時應考慮相關標準。

3 開關電源的設計步驟

開關電源的設計一般采用模塊化的設計思想，其設計步驟是：

1）首先從明確設計性能指標開始，然后根據常規的設計要求選擇一種開關電源的拓撲結構、開關工作頻率確定設計的難點，依據輸出功率的要求選擇半導體器件的型號；

2）變壓器和電感線圈的參數計算，磁性材料設計是一個優質的開關電源設計的關鍵，合理的設計對開關電源的性能指標以及工作可靠性影響極大；

3）設計選擇輸出整流器和濾波電容；

4）選擇功率開關的驅動控制方式，最好選用能實現PWM控制的集成電路芯片，也可利用單片機實現PWM控制；

5）設計反饋調節電路；

6）根據設計要求設計過電壓、過電流和緊急保護電路；

7）根據熱分析設計散熱器；

8）設計實驗電路的PCB板和電源的結構，組裝、調試，測試所有的性能指標；

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關鍵字： MC34063穩壓電路； 89C51單片機； HT7750； 單片機休眠模式

中圖分類號： TN710?34； TM92 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0160?03

Design and implementation of direct current charger based on single chip

XIA Shu?li

（Xuzhou College of Industrial Technology， Xuzhou 221140， China）

Abstract： A direct current charger is designed， which can transfer the energy of direct current power source to rechargeable battery above 3.6V. According to entering voltage， the system adopts MC34063 and HT7750 to structure the electricity supplying circuit to charge battery. The AD0832 controlled by 89C51 single chip is used to check the output voltage of power source， so as to judge whether to charge up the battery or not. The detecting time can be set according to demands of users， and displayed by the nixie tube. To improve the work efficiency of the single chip， its two modes of work and sleep are detected spasmodically.

Keywords： MC34063 voltage regulator circuit； 89C51 single chip； HT7750； single chip sleep mode

0 引 言

近年來，能源短缺問題日益突出，人們在擔憂能源枯竭的同時，對能源的浪費卻大得驚人。例如各種廢棄的電池，尤其是遙控玩具車使用的電池，甚至沒用到其能量的一半就被廢棄掉了，這不僅造成能源的浪費，更造成了環境的污染。因而研制一種收集各種廢舊電池能量的裝置已迫在眉睫。

本文設計一種以直流電源變換器為核心的電能收集裝置，該裝置可用于人們在旅途為手機隨時充電，也可用于礦工照明等。

1 系統設計框圖

電能收集充電器的核心為直流電源變換器，從直流電源中吸收的電能轉移到可充電電池中。電能收集充電器是將輸入的功率盡可能大的輸送到所需充電的設備中，使得充電器的充電效率盡可能提高。該充電器對輸入電壓要求低，并且可以最大可能的吸收直流電源中的能量，比一般的充電器節能。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

根據電壓[Ui]取值的大小采用兩種直流電源變換器，當電壓為1.1 V

2 硬件電路設計

2.1 升壓電路設計

升壓電路主要由HT7750組成，HT7750轉換器具有高效率和低紋波。該系列具有超低啟動電壓、高輸出電壓精度[1]。只需要3個外部元件即電感、穩壓管、電解電容，以提供固定輸出5 V電壓。電路如圖2所示。

圖2 升壓電路

2.2 供電電路設計

供電電路是由MC34063芯片構成的穩壓電路，此芯片是一款可降壓也可升壓型的采用PWM 調節方式的開關穩壓電源芯片，MC34063的工作電壓范圍[2]為3～40 V。此電路是把輸入進來的電壓進行穩壓處理達到所需電壓值，同時此電壓還可以作為單片機和ADC0832的工作電壓。電路構成如圖3所示。

2.3 控制電路設計

采用8051單片機，它擁有編程靈活、功能強大、而且廉價的好處，與INTEL公司的8096系列16位單片機相比，8051更具有明顯的價格優勢[3]。同時能夠滿足需要，成為首選。它可以自身休眠來減小功耗，提高效率，它由基準電源電路輸出穩定的5 V電壓供電，主要起到檢控電壓的作用。89C51單片機控制AD0832來檢測電源輸出電壓的大小，從而判斷是否對電池進行充電，并且檢測時間的長短可以根據用戶的需要進行設定，通過數碼管顯示出來。這里用的ADC是ADC0832芯片，它是一個串行的ADC，它具有速度和精度都足以滿足此電路，在ADC0832的VCC腳與基準電路供電的輸出腳間接一個大電容從而使輸入給ADC0832的電壓更穩定。電路構成如圖4所示。

圖3 供電電路

2.4 充電電路設計

該電路是通過單片機對充電電路的控制從而實現對電池的充電，起到開關作用。并且電路中加入了LED燈，從而顯示充電器是否工作。電路如圖5所示。

3 軟件部分的設計

本系統的軟件采用C 語言來編寫，所有代碼在UV2下編譯調試。軟件程序設計主要檢測電源輸出電壓的大小，從而對判斷是否對電池進行充電，同時單片機通過自身休眠來減小功耗，提高效率。程序主流程圖如圖6所示，休眠時間控制流程圖如圖7所示。

4 測試方法與結果

（1） 當輸入電壓[Ui]為10～20 V時，取電源內阻[Rs]為100 Ω，可充電池的內阻[Rc]為0.1 Ω，由理論計算得：

[Ic>（Es-Ec）（Rs+Rc）]

即：

[Ic>（20-3.6）（100+0.1）=163.8 mA]

圖5 充電電路

圖6 主流程圖

圖7 休眠時間控制流程圖

實際測量時[Ic=]164.6 mA>163.8 mA，滿足了設計的要求。測試數據見表1。

本設計的工作效率由輸出電壓[U*out]與輸出電流[Iout]的乘積比上輸入的電壓[Uin]與電流[Iin]的乘積。即：

[η=（Uout*Iout）（Uin*Iin）]

（2） 當[Ui]從0逐漸升高時，能啟動充電功能的[Ui]為0.28 V；當[Ui]為0時，系統最大反向充電電流僅為0.09 mA。

表1 高壓參數表

[[Es] /V＼&[Uin] /V＼&[Iin] /mA＼&[Uout] /V＼&[Iout] /mA＼&[η]/%＼&5.8＼&5.07＼&7.89＼&3.54＼&0.203＼&1.80＼&6＼&5.13＼&8.85＼&3.55＼&1.545＼&12.08＼&7＼&5.51＼&15.39＼&3.64＼&9.01＼&38.68＼&8＼&5.71＼&23.6＼&3.75＼&19＼&52.87＼&9＼&5.49＼&46.2＼&3.57＼&34＼&47.86＼&10＼&5.49＼&46.2＼&3.57＼&46.21＼&65.04＼&11＼&5.55＼&55.9＼&3.57＼&57.3＼&65.94＼&12＼&5.54＼&65.6＼&3.58＼&68.5＼&67.48＼&13＼&5.56＼&75.5＼&3.56＼&80.1＼&67.93＼&14＼&5.59＼&85.8＼&3.6＼&92.1＼&69.13＼&15＼&5.61＼&96.6＼&3.6＼&104.6＼&69.49＼&16＼&5.64＼&106.2＼&3.61＼&115.8＼&69.79＼&17＼&5.66＼&116.5＼&3.62＼&127.8＼&70.16＼&18＼&5.69＼&127.7＼&3.63＼&140.8＼&70.34＼&19＼&5.71＼&137.2＼&3.64＼&151.9＼&70.58＼&20＼&5.74＼&147.3＼&3.64＼&164.6＼&70.43＼&]

5 結 語

本文設計并實現了一種基于單片機的直流電能收集充電器，該充電器在輸入電壓低至1 V的情況下仍能將能量傳遞至3.6 V以上的可充電池中。同時制作了實驗樣機并對實驗樣機進行了測試。實驗結果表明該充電器具有工作電壓范圍寬，效率高，適應性強、可靠性好等優點。從一定程度上解決了廢棄電池能源的浪費及對環境的污染。

參考文獻

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[4] 葉慧貞，楊興洲.新穎開關穩壓電源[M].北京：國防工業出版社，1990.

[5] 康華光.電子技術應用[M].北京：高等教育出版社，2002.

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關鍵詞：任務驅動 電子技術課 應用

由于學生學習能力、個體素質、學習意愿等存在差異，導致電子技術課程教學一直是授課教師“頭疼”的課程。如何把學生的興趣吸引到教學中，讓學生主動有效地完成教學任務是筆者一直思考的問題。

一、任務驅動教學模式的核心

任務驅動是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學方法，屬于探究式教學模式，適用于培養學生的自學能力和相對獨立地分析解決問題的能力。它包括五個環節：提出任務、分析任務、自主學習、完成任務、過程評價。

任務驅動教學模式創新性的以任務為主線、學生為主體、教師來引導作為基本內涵，學生作為主體參與到教學中，教師在教學中起到組織、引導、控制、促進、改善作用。這種模式充分調動學生的主動性、創造性和學習興趣，讓學生在“動”的過程中學到知識。

二、任務驅動教學模式教學的過程

第一步：教學開展前，教師確定主題，提出任務。第二步：學生結合自己意愿和能力，分析任務并分組。第三步：教師對核心內容進行輔導和講解，學生按照任務要求借助多媒體設備、圖書資料等進行自主學習。第四步：學生對任務內容進行實踐性操作，小組分工配合和個人技能相結合，教師協助學生解決遇到的困難。第五步：每組學生講解和展示自己完成的項目，學生互評，教師進行總體評價。

三、對任務進行設計的方法

在教學任務設計的階段，對學生現有的知識結構和水平進行評估，針對學生的特點進行設計，做到讓學生有興趣且樂于構建知識體系。

第一，差異化的任務設計。根據學生知識掌握的能力和意愿不同，在設計任務時應相互關聯而又存在差異。在保證核心知識不變的前提下，把握知識脈絡，突出重點，抓住關鍵，做到因材施教。

其具體步驟為，教師通過實例授課講解任務用到的新知識與技巧，學生根據實例做出類似項目，掌握任務中所包含知識點和技巧；學生完全理解和掌握知識點；學生自行設計或按照自己的思路進行探索，提高學生的積極性和學習興趣。

第二，協作性的任務設計。團隊配合是當今社會大力提倡的能力之一，一個人的智慧和精力有限。為了使學生將來工作后快速適應崗位和工作氛圍，在任務設計中教師應加入協作性配合模塊。良好的團隊配合不僅事半功倍，同時也充分發揮分析能力和講說能力，使他們在相互討論、爭辯中解決問題。

四、任務驅動教學模式在課程中的運用

以直流穩壓電源課程為例。

一是教學任務的設計。直流穩壓電源電路由變壓、整流、濾波、穩壓四部分構成，電路中變壓器起到變壓作用。二極管起到整流作用――將交流電轉換成脈動直流電。電容起到濾波作用。電路的調整使輸出電壓穩定。

二是學生對任務進行分析。直流穩壓電源的內部構造是什么？每個元器件的作用是什么？是如何實現直流穩壓的？

三是內容講解和學生自主學習為核心。教師將核心內容二極管及其整流電路、濾波電路、穩壓電路，進行講解。學生根據任務要求自行查閱相關資料，試析解決問題。

四是完成任務。學生對直流穩壓電路進行實踐性操作，組裝和調試電路。調試內容主要有調整、測試電源輸出電壓、空載電流、負載電流、電壓調整率、電流調整率和紋波電壓等。教師在一旁指導并協助學生解決出現的問題。

五是評價總結。做到“三評”，即小組自評、每組互評、教師講評。對于掌握慢、基礎不扎實的學生要加強小結和知識點回顧；對于掌握快、能力更好的學生要引導他們繼續探索更深層次的知識，這樣將使每個學生都有收獲和成就感，真正實現了分層教學和因材施教。

任務驅動教學模式是對現有教學模式的一種改進和創新，實施它的目的在于培養學生的自學、觀察、動手、研究和分析問題的、協作和互助、交際和交流能力以及生活和生存的能力。學與做相結合的模式體現了中等職業教育的特點與特征，是促進中等職業學校學生全面發展的一種有效教學方法。

參考文獻：

[1]白梅.信息時代的教與學[J].網絡科技時代：信息技術教育，2001（8）.