全國大學生電子設計競賽(四)--雙極性跟蹤可調精密直流電源的設計

摘要：以單片機STM32爲核心，設計製作了雙極性跟蹤可調直流電源。本系統主要包括控制系統、整流電路、場效應管電路、反饋電路、電壓電流採樣電路、過流保護電路和輔助電源電路。其中以場效應管電路爲核心，使場效應管工作在可變電阻區，使用單片機調節DAC輸出電壓，從而控制場效應管柵極電壓，調整源極輸出電壓和電流。採用閉環反饋系統，通過PID算法控制輸出值穩定。經測試，雙極性對稱輸出電壓範圍0-±5V，負載調整率、電壓調整率均小於0.2%，輸出電流過大時自動斷開輸入，保護系統，且能夠自恢復。此外，輸出電壓可通過按鍵步進調整或自由設定，並通過LCD屏幕實時顯示工作模式與輸出值，人機交互友好。

一、方案論證

1.1 誤差反饋迴路方案選擇

  方案一：直接DA反饋方案。此種方案直接將DA輸出電壓值反饋在三極管的基極上，通過不斷對輸出電壓採樣，採用PID算法改變DA輸出值，使輸出電壓爲設定值。
  方案二：誤差比較反饋方案。該方案將輸出電壓與DA值進行差分放大比較並將放大後的誤差驅動三極管的基極。
方案二將硬件反饋與軟件反饋相結合，不僅反饋速度比方案一的快，而且較爲準確穩定，故選擇方案二。

1.2 DA反饋電路方案選擇

  方案一：從路跟蹤方案。本方案只應用一個DA芯片，負電壓誤差反饋電路使用一個同相加法器，正負電壓輸出可調電路的輸出電壓直接反饋到加法器同相輸入端，實現了負電壓輸出跟蹤正電壓輸出可調電路。電路圖如圖1.2.1所示。

  方案二：兩路DA反饋方案。採用兩個DA反饋電路分別對正負電壓輸出可調電路進行反饋。

  方案一與方案二相比，只需控制一個DA芯片，減少了軟件算法的複雜度，且硬件電路所需芯片少，工作簡單，能夠很好地實現電壓跟蹤功能。而方案二由於採用分別反饋的方式，正負電壓輸出電路需要單獨控制，提高了軟硬件複雜度，故採用方案一作爲系統的DA反饋電路。

1.3 總體方案論證

  輸入220V市電首先通過整流電路得到波紋較大的直流電，然後進入場效應管電路。場效應管工作在可變電阻區，使用單片機調節DAC輸出電壓，經反饋電路後，可以此控制場效應管柵極電壓，從而調整源極輸出電壓和電流。採用閉環反饋系統，系統實時採樣輸出電壓、電流值，通過PID算法調節DAC輸出電壓，從而控制柵極電壓，調整場效應管導通程度，實現輸出電壓值穩定。同時，輸出電流過大時通過繼電器自動斷開輸入，一段時間之後自恢復。輔助電源電路在整流電路之後，通過三端穩壓器獲得±15V電壓，用於運放和過流保護模塊電源，然後使用穩壓芯片獲得5V電壓用於單片機。此外，軟件實現輸出電壓通過按鍵以1mV、10mV、100mV和1V在0～±5V範圍內步進調整或自由設定，並通過LCD屏幕實時顯示工作模式與輸出值。

二、電路與程序設計

2.1整流電路

  整流電路連接於系統交流供電電源後，包括一個三抽頭220V轉48V變壓器和兩個單相橋式整流電路，分別提供正負直流電。單相橋式整流電路中的二極管使用反向耐壓值100V、導通壓降小的肖特基二極管MBR10100CT。其關鍵參數爲VRRM=100V，IF(AV)=5A，VF=0.8V。整流電路輸出端並聯濾波電容，保留直流分量，減小電路的脈動係數，得到直流電壓。

2.2 場效應管電路

  如圖3.57所示，場效應管電路包括N溝道增強型MOS管IRF840和P溝道增強型MOS管IRF940，±VCC由整流電路提供，MOS管驅動信號分別由正負誤差反饋電路提供。由柵極驅動信號控制MOS管的導通程度即漏源電阻RDS的大小，從而控制輸出電壓、電流。

2.3 反饋電路

  如圖3.58所示，反饋電路包括使用運放OPA227搭建的同相比例放大器、電壓跟隨器、同相加法器、比較器等。

  由DAC輸出的模擬電壓信號經過運放OP2搭建的同相比例放大器調整幅度後作爲參考信號，同相放大器的輸出電壓值等於$\left(1+R_{1} / R_{2}\right) \cdot V_{\mathrm{DA}}$ ，平衡電阻$R_{\mathrm{3}}=R_{\mathrm{1}} // R_{\mathrm{2}}$ 。
  系統的輸出電壓信號在與參考信號進行比較前，先進入由OP3搭建的電壓跟隨器。電壓跟隨器輸出電壓的幅度和極性都與輸入電壓相同，輸入阻抗很高，幾乎不從前級汲取電流，且輸出阻抗低，向後級輸出電流時幾乎不在內部引起壓降，在電路中作爲緩衝級或隔離級。
  通過上述電路，得到了經過幅度調整的參考電壓信號以及系統輸出電壓經電壓跟隨器後的電壓信號，二者在OP1搭建的比較器中進行誤差比較，比較的結果作爲功率管IRF840的驅動信號。
  爲了實現負電壓、電流輸出跟蹤，使用OP4搭建的加法器電路，系統正負電壓輸出分別經過電壓跟隨器後，進入加法器電路，輸出信號爲$V_{G 2}=\frac{1}{2}\left(1+\frac{R_{7}}{R_{4}}\right)\left(V_{+}+V_{-}\right)$ ，其中$R_{\mathrm{4}}=R_{\mathrm{5}}$ ，$V_{+}$ 和 $V_{-}$分別是系統正負電壓輸出經過電壓跟隨器後得到的電壓值。這樣，當$V_{+}$ 和$V_{-}$ 之和不爲0V時，加法器輸出信號即PMOS功率管的驅動信號會發生變化，使得系統正負電壓輸出互爲相反數，實現跟蹤功能。

  DA芯片選用雙通道，12位數模轉換器DAC7612，它無需外部基準，外圍電路簡單，輸出範圍0-5V，輸出模擬電壓最快可在7μs內穩定到1 LSB，具有同步串行接口，可以與各種DSP和微控制器兼容，功耗僅3.7mW，可以滿足本設計的需求。

2.4 電壓電流採樣電路

  電流感應放大器電路使用包括電流感應放大器芯片INA282和採樣電阻 。採樣電阻$R_{\mathrm{s}}$ 選用溫漂小、穩定性好的康銅絲，與負載串聯接於系統輸出端，它的兩端分別通過RC濾波器接於INA282的IN+和IN-引腳。INA282是高精度、寬共模範圍、零漂移的電流監視器，對差分輸入的信號具有50倍固定增益的放大輸出。INA282將流過採樣電阻的電流信號轉化爲電壓信號，經過RC濾波器，送入AD採樣電路中進行採樣處理。
  系統正電壓輸出端也通過RC濾波器接於AD採樣電路中。本系統選用的AD轉換芯片爲16位4通道、高精度、低功耗的ADS1118，支持雙路差分輸入或四路單端輸入，採樣速率最高可達860SPS（每秒860次），適合採樣直流信號。此外，ADS1118具有2V至5.5V的寬電源電壓範圍，每個通道的模擬輸入範圍可達0-5.5V，能夠滿足設計要求。ADS1118由單片機STM32通過SPI通信控制。

2.5 過流保護電路

  過流保護功能通過單片機IO口輸出高電平驅動繼電器工作實現。過流保護電路包括三極管、反向二極管和五腳繼電器。單片機的IO口輸出電流很小，所以要用三極管放大來驅動繼電器。繼電器的常閉端連接在整流電路中變壓器的輸入端，當輸出電流超過過流保護點時，單片機IO口輸出高電平，控制繼電器斷開系統輸入，實現過流保護。繼電器線圈兩端反向並聯二極管，在三極管由導通變爲截止時，吸收繼電器線圈感生電動勢，消除該電動勢與電源電壓之和擊穿三極管發射結的危險，保證三極管的安全。

2.6 輔助電源電路

  輔助電源電路由線性穩壓器LM7815、LM7915和LM1117-5V組成。由於在系統處於過流保護狀態時，部分器件仍需要工作，因此輔助電源電路接在整流電路之後，過流保護電路之前。±15V供電電路分別接在整流電路兩輸出端之後，+15V供電輸出用於過流保護模塊供電和反饋電路中運算放大器正電源，-15V供電輸出用於反饋電路中運算放大器負電源，+5V供電電路接於+15V供電電路輸出端之後，輸出用於單片機、AD芯片、DA芯片的供電。這樣，就滿足了系統中不同部分的供電需求。

三、系統軟件設計

  系統軟件流程圖如圖3.63所示。單片機控制ADS1118的兩個通道分別採樣輸出電流信號和正輸出電壓信號，並使用軟件濾波算法去除採樣信號中的噪聲使判斷更準確。當輸出電流過大時，啓動過流保護功能，驅動繼電器斷開輸入，延遲一段時間後自恢復。正常工作狀態下，將正輸出電壓採樣值與設定值進行比較，對DA輸出的模擬電壓值進行PID調節，驅動DAC輸出模擬電壓信號，作爲反饋電路中的參考信號，進而改變功率管的驅動電壓，調整其導通狀態，使輸出電壓值與設定值相同。

四、測試結果及分析

  略。

五、總結

  系統以場效應管電路爲核心，採用閉環反饋系統，使用單片機通過PID算法調節DAC輸出電壓，從而控制場效應管柵極電壓，使場效應管工作在可變電阻區，調整源極輸出電壓穩定至設定值。經測試，雙極性對稱輸出電壓範圍0-±5V，負載調整率、電壓調整率均小於0.2%。同時，系統具有過流保護功能，輸出電流過大時能夠自動斷開輸入。此外，輸出電壓可通過按鍵步進調整或自由設定，並通過LCD屏幕實時顯示工作模式與輸出值，人機交互友好。

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