眾所周知，小功率線性穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)測(cè)試中廣泛應(yīng)用的電子設(shè)備，但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。因此針對(duì)電源電壓的連續(xù)可調(diào)與數(shù)字顯示功能的需求，本文設(shè)計(jì)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(jì)和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)1.25～15V的輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出電流達(dá)到1.25A，電壓調(diào)整精度達(dá)到0.25級(jí)，具有輸出精度高，易于調(diào)整和顯示直觀等特點(diǎn)。
1.引言
小輸出功率直流電源是使用、檢測(cè)和檢修電子產(chǎn)品必需的電子設(shè)備，確保在負(fù)荷轉(zhuǎn)變或電力網(wǎng)起伏時(shí)為大功率電器提供平穩(wěn)的工作電壓輸出和充足的負(fù)荷電流量驅(qū)動(dòng)器能力。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(jì)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(duì)電子系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試具有普遍的應(yīng)用意義和使用價(jià)值。
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(jì)中為提高輸出電流往往采用擴(kuò)流電路。目前直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)制作技術(shù)已較為成熟，電源設(shè)計(jì)主要考慮小型化、高精度、可調(diào)整及數(shù)字顯示等實(shí)際應(yīng)用需求。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種以MSP430F413單片機(jī)為核心的智能化開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)高分辨率了2～15V輸出電壓可調(diào)，輸出電流大于1A，用字段式LCD顯示輸出電壓和設(shè)定電壓值，電源效率達(dá)到88%以上。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了以微控制器為核心的數(shù)字式可調(diào)直流電壓源，實(shí)現(xiàn)3～15V的電壓輸出，并且利用按鍵步進(jìn)調(diào)節(jié)電壓。
文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用三端穩(wěn)壓集成電路LM317的電路設(shè)計(jì)方法，利用LM317和電壓補(bǔ)償電路以及軟啟動(dòng)電路較好地解決了輸出電壓從0V起調(diào)和輸出軟啟動(dòng)的問題。
本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)1.25～15V的穩(wěn)壓輸出及調(diào)整，最大輸出電流可達(dá)到1.25A，具備數(shù)字顯示功能，可直觀顯示電源實(shí)時(shí)輸出電壓參數(shù);電源穩(wěn)壓系數(shù)小于0.01，顯示精度達(dá)到0.25級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
2.可調(diào)數(shù)顯直流電源原理
小功率穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)將220V交流電壓變?yōu)榉€(wěn)壓直流輸出，為負(fù)載提供穩(wěn)定電壓與足夠的負(fù)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(cè)、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220V，50Hz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過多繞組輸出變壓器，電源變壓器功率已直流電源設(shè)計(jì)輸出功率為參考。
整流電路采用橋式整流模塊過整流管構(gòu)成全波整流電路，將變壓后交流電整流為含有脈動(dòng)成分的直流電。濾波電路中采用倒LC濾波濾除脈動(dòng)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(jìn)行濾波后的穩(wěn)壓，當(dāng)負(fù)載變化或電源電壓波動(dòng)時(shí)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(shí)現(xiàn)輸出電源電壓的調(diào)整，達(dá)到預(yù)定輸出的電源電壓。
直流電源輸出電壓檢測(cè)采用微控制器片內(nèi)ADC進(jìn)行輸出電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，將輸出電源電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并由LCD顯示電路實(shí)時(shí)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(dòng)液晶實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓值的數(shù)字化顯示。
3.各單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算
3.1電源變壓器選取
直流電壓最大輸出要求15V，考慮到三端集成穩(wěn)壓器工作大約有1～2V電壓降，所以電容濾波后電壓Uc約為17V，則變壓器二次副邊輸出級(jí)電壓有效值U2=Uc/1.2=17V/1.2=14.2V，因?yàn)槭切」β孰娫?，選用15V/20W小型電源變壓器。
3.2整流濾波電路
整流橋的選取主要依據(jù)兩個(gè)參數(shù)，整流二極管的耐壓VRM和通過整流二極管電流的平均值ID。
選用IN4007整流二極管構(gòu)成全橋整流電路，其正向平均電流1A及耐壓值1000V參數(shù)滿足整流要求、濾波電容經(jīng)驗(yàn)值為470～1000μF，為抑制紋波選用標(biāo)稱值1000μF耐壓25V的電解電容。
3.3輸出可調(diào)穩(wěn)壓電路
本設(shè)計(jì)采用LM317可調(diào)試集成三端穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓芯片并實(shí)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(diǎn)，其線性調(diào)整率以及負(fù)載調(diào)整率和其他穩(wěn)壓器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。LM317內(nèi)部有過流保護(hù)電路、安全區(qū)保護(hù)電路等，輸出電壓為1.25～37V，負(fù)載電流可達(dá)1.5A。采用LM317輸出電壓調(diào)整方便，只需要兩個(gè)外接電阻便可以設(shè)置輸出電壓。為了改善瞬態(tài)響應(yīng)，可以在輸出并接電容。LM317電路典型參數(shù)如下：輸出電流為1.5A、0.01%的線性調(diào)整率、0.1%的負(fù)載調(diào)整率、紋波抑制比為80dB，具有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出短路保護(hù)、調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)等功能。
基于LM317的輸出可調(diào)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 LM317調(diào)壓電路
電路中R1、Rp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。R1和Rp的取值從兩方面考慮：從式(3)輸出電壓計(jì)算公式看，Rp/R1比例關(guān)系決定輸出，因此Rp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(shí)最小工作電流一般為1.5mA，空載時(shí)R1是最小電流泄放的唯一通路。如果R1值選取過大，將使空載和有載時(shí)輸出電壓有較大差別，這是不允許的。從上述兩方面考慮，R1及Rp計(jì)算如下：
取U0=15V，得Rp/R1=11，又要求R1電流達(dá)到1.5mA才可以正常工作，求得R1應(yīng)小于830Ω的阻值限制范圍，故取R1=120Ω，則相應(yīng)的Rp阻值應(yīng)為11×0.12kΩ=1.32kΩ，可保證電源輸出達(dá)到15V，Rp留余地采用標(biāo)稱值2.2kΩ電位器，以便于調(diào)節(jié)輸出電壓。
D1、D2是保護(hù)LM317的二極管，當(dāng)輸入端不慎短路時(shí)D1導(dǎo)通，C4經(jīng)D1放電，輸出端短路時(shí)，D2導(dǎo)通，C2經(jīng)D2放電，保護(hù)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。C1、C3取0.1μF，C4取470μF。
3.4ADC電壓檢測(cè)和顯示電路
電源電壓檢測(cè)采用低成本STC微控制器STC12C5410AD，利用其片內(nèi)10bit ADC完成電壓檢測(cè)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(cè)及顯示電路如圖3所示。該方案可靈活擴(kuò)展數(shù)顯電源的監(jiān)測(cè)功能，加上電流檢測(cè)電路后還直接監(jiān)測(cè)輸出電流數(shù)值。
輸出電壓檢測(cè)電路核心芯片STC12C5410AD微控制器內(nèi)部集中8路10bit的ADC，可檢測(cè)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(jī)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(dú)采用7805構(gòu)成的輔助電源供電，同時(shí)也為液晶模塊提供5V的供電電壓。
電壓檢測(cè)電路的待測(cè)電壓來自LM317電路輸出的電源電壓VIN，其電壓范圍為1.25～15V，具體電壓值由Rp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?？紤]到待測(cè)電源電壓最大為15V，已超過單片機(jī)ADC的測(cè)試范圍(0～5V)，故VIN首先經(jīng)分壓電阻R1和R2進(jìn)行1/6分壓，再接入TL084構(gòu)成的同相比例放大器中進(jìn)行2倍放大調(diào)理，保證在電源輸出最大為15V時(shí)，送入單片機(jī)ADC通道P1.1的電壓不超過5V。待測(cè)電源電壓VIN與單片機(jī)AD1口輸入電壓VAD1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(jī)控制其實(shí)現(xiàn)電源電壓的數(shù)字顯示。液晶使能端EN、讀寫控制R/W和數(shù)據(jù)/地址控制端R/S，分別由單片機(jī)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(duì)比度通過可調(diào)電位器輸出的電壓Vo來進(jìn)行調(diào)整。檢測(cè)電源輸出電壓的數(shù)字量由單片機(jī)轉(zhuǎn)換成實(shí)際電壓值的ASCII碼送LCD顯示，對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(5)所示。
圖3 電壓檢測(cè)及顯示電路
4.電源調(diào)試及測(cè)試
4.1電源調(diào)試問題
LM317輸出1.25～15V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(jì)，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(cè)微控制器和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1.25～37V，電壓計(jì)算公式中Iadj很小(50μA)可以忽略不計(jì)，電位器的阻值選2.2kΩ可以滿足輸出電壓1.25～15V的調(diào)節(jié)范圍。考慮到調(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(cè)精度，可在檢測(cè)程序中加入?yún)?shù)檢測(cè)修正系數(shù)，通過實(shí)測(cè)修正的方式進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。
調(diào)試中在電源輸出低電壓大電流情況下會(huì)由于LM317電路承載的壓差及電流很大，因而會(huì)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(hù)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1.25V，若要求穩(wěn)壓電源從0V起調(diào)，則穩(wěn)壓電路需加入一個(gè)負(fù)電壓偏置，電源輸入就需要正、負(fù)與地三個(gè)輸入端，電路相對(duì)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1.25V起調(diào)。
4.2測(cè)試及分析
直流穩(wěn)壓針對(duì)電源輸出電壓及輸出電流特性進(jìn)行測(cè)試，選取典型負(fù)載RL=100Ω和RL=10Ω，調(diào)整電源輸出并測(cè)試輸出電壓及負(fù)載電流，測(cè)試結(jié)果如表1所示。在兩種典型負(fù)載條件下，電源指示輸出電壓相對(duì)誤差可優(yōu)于0.254%，準(zhǔn)確度基本達(dá)到0.25級(jí)。電源帶載特性較好，輸出電壓并未隨負(fù)載電流加大而產(chǎn)生較大波動(dòng)。
在輸出電壓為額定值15V下的負(fù)載特性如表2所示。在電源輕載輸出且電壓達(dá)到額定值15V條件下，逐步加大負(fù)載電流，測(cè)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(fù)載電流由0.1A變化到1.2A過程中，15V定壓輸出的電壓波動(dòng)僅為0.12V，電源具有較好的帶載能力。
結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)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(jī)STC12C5410AD進(jìn)行電壓采樣檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)液晶顯示的方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)與輸出顯示，測(cè)試結(jié)果表明，該電源實(shí)現(xiàn)了1.25～15V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(diǎn)，輸出檢測(cè)精度達(dá)到0.25級(jí);以靈活的電壓檢測(cè)及LCD顯示方式實(shí)現(xiàn)了電源輸出的監(jiān)視功能，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映電源輸出的工作狀態(tài)，本設(shè)計(jì)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(cè)試提供了便捷的電源解決方案。
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