直流稳压电源的设计要求范文

直流稳压电源的设计要求篇1

关键词：连续可调；直流电源电路；软启动；电压补偿；LM317

中图分类号：TN710

文献标识码：B

文章编号：1004―373X(2008)04―012―03

1 引 言

电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中，对电源的性能要求更高。在很多应用直流电机的场合中，要求为电机驱动电路提供1个其输出能从0 V开始连续可调(0～24 v)的直流电源，并且要求电源有保护功能。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计，其要求是输出电压从0 V开始连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电流。

2　电路的设计

符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：

(1)晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图1所示，该电路中，输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压u1。发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。

单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

(2)采用三端集成稳压器电路。如图2所示，他采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。

(3)用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的参数，并加上软启动电路，获得0～24 V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。

该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24 V范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。在实际中，如果对电路的要求不太高(这种情况较多)，多采用第二种设计方案。

3　实际电路的设计

电路采用三端集成稳压器电路方案，电路原理图如图4所示。其中IC为三端集成稳压器。晶体管T，阻R3和电容器C组成软启动电路。电阻R4和二极管D组成电压补偿电路。电容C2为输出滤波电容。

(1)三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317系列三端集成稳压器，其输出电压调节范围可达1.25～37 V，输出电流可达1.5 A，内部带有过

(3)软启动电路设计。软启动电路由晶体管T，电阻R3，R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压U0有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压U1接入时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故U0很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以U0也升高。当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，U0也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。

(4)改进方案。由于该电路的输出电压的调整完全依赖电电位器R2的改变，因此R2的改变范围较大，这样在输出电压的调整过程中，容易调过头或调不足，要准确地实现0～24 V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R2是比较困难的，如果将电位器R2用一个电位器R′2和电阻R档串联实现，通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输出电压的范围，并在所选择的输出电压范围内通过改变电位器R′2的阻值得到所需要的准确的直流电压输出。电路如图6所示。

4 结 语

直流稳压电源的设计要求篇2

关键词：电源模块 保护电路 应用

中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（a）-0045-02

随着微电子技术的发展，要求计算机的性能更加安全可靠，而计算机电源系统是否稳定，关系到整个计算机的工作状态及性能，为了确保计算机电源系统输出电压稳定和计算机电源自身的安全，计算机电源设计中保护电路的应用设计日趋重要。

1 保护电路介绍

1.1 保护电路构成

保护电路一般由故障检测电路、电压翻转电路、保护执行电路三部分组成，有的包含有保护显示电路[1]。故障检测电路对保护电路的电压或者电流进行检测，并将检测结果送到翻转电路，当检测到的电压或者电流超过设定值时，故障检测电路将检测到的故障信息送到翻转电路。产生保护控制电压，驱使保护执行电路动作，使保护电路退出工作状态或进入相应的保护状态，达到保护目的。常用保护电路构成如图1所示。

1.2 保护电路种类

保护电路种类划分方法较多，根据故障检测电路的检测方式分为过流检测保护电路、过压检测保护电路、失压检测保护电路及IC内部检测保护电路；根据保护电压翻转电路的类型可分为三极管电压翻转保护电路、可控硅电压翻转保护电路、模拟可控硅翻转保护电路和IC内部电压翻转保护电路；根据保护执行方式可分为待机处理保护电路、小信号处理保护电路、电源震荡驱动保护电路、稳压处理保护电路和保护电路直接执行保护的保护电路。

2 电源模块保护电路设计

某计算机电源设计可利用空间较小，在230 mm×200 mm的印制板上需要将220 V交流电转换成+5 V、+12 V、-12 V等多种稳压直流电源。为了避免因电源故障造成对其他部件损坏，需要电源保护电路设计。（如图2）

2.1 输入电源检测电路设计

输入～220 V的保护电路分三种，选用压敏电阻并接输入电源零火线两端，当输入电压超出压敏电阻的耐压值时，压敏电阻击穿短路，导致保险丝烧断而起到保护作用，选用热敏电阻串入输入电源火线上，因短接等原因导致电流过大超出热敏电阻指标时，热敏电阻烧断而切断电源，起到保护其他组件的作用；采集交流整流滤波后的直流300 V，将300 V分压后送人比较器MAX973输入断，和比较器MAX973另一输入端的基准电源进行比较，在电压要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。

2.2 输出电源检测电路设计

采集+5 V输出直流电源，分压后送人比较器输入端，和比较器输入的基准电源进行比较，+5 V电源在要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。

采集+12 V输出直流电源，分压后送人比较器输入端，和比较器输入的基准电源进行比较，+12 V电源在要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。

采集-12 V输出直流电源，分压后送人比较器输入端，和比较器输入的基准电源进行比较，-12 V电源在要求范围之外时，比较器翻转，最终使DC/DC模块的输入电源断开而起到过压和欠压保护作用。

2.3 翻转电路设计

将MAX973输出端接入光电耦合器一端，光电耦合器输出端和+5 V、+12 V、-12 V检测比较器电路的输出端并接到比较器负端，和接在比较器正端的基准电源进行再次比较，输入电源和三路输出电源检测电路中任何一个电源电压值超出预定范围，则翻转电路输出电压开始翻转，将翻转后的电平送到执行电路输入端。

2.4 执行电路设计

该电源模块借用DC/DC直流稳压模块自身具有的软启动保护功能，当输入端保护端管脚为低时，DC/DC直流稳压模块停止工作。翻转电路送出电平为0～5 V，而DC/DC直流稳压模块输入电源为300 V，为了防止模块损坏对翻转电路造成逆向损坏，在翻转电路输出端和DC/DC直流稳压模块输入保护端之间增加光电耦合器进行隔离。

3 应用效果

该计算机电源模块完成设计、生产、调试后，对其保护电路的各项保护功能进行测试，均达到预定目标，满足了使用要求。

参考文献

[1] 孙铁强.进口彩电保护电路原理与维修[M].中国水利水电出版社，2010.

[2] 王海生，黄振，葛宁.基于多相滤波结构的高效动态数字信道化接收机设计[J].电路与系统学报，2013，18（2）：1-5.

直流稳压电源的设计要求篇3

关键词 LM5117；降压型开关稳压电源；闭环控制

中图分类号：TN492 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）06-0036-03

Abstract This system design chooses LM5117 chip and CSD18532-KCS MOSFET of TI Company as control core voltage stabilizing system， and builds a stable and efficient buck type DC switching power supply. It uses the closed-loop feedback control voltage， im-proving the stability of output voltage. Design reduces the output ripple voltage， selecting the appropriate switching frequency com-pensation and loop network to enhance the stability and load capa-city， make output voltage more stable.

Key words LM5117； Buck DC； feedback control

1 引言

开关电源凭借其相对于线性电源的体积小、效率高、可靠性强的优点，在越来越多的场合得到应用。传统的PWM开关电源电路结构复杂，开关频率低，电源功耗高，纹波系数大。随着对开关电源性能要求的不断提高，传统的PWM开关电源逐渐不能满足性能要求，随着半导体技术的迅猛发展。模块化的开关电源控制芯片的优越性能得到越来越广泛的应用，工作频率高，纹波系数小，带负载能力强，便于调试。TI公司生产的军工级新型同步降压控制器LM5117就是优秀代表。

2 LM5117介绍

LM5117是一款同步降压控制器，适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法基于采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度，有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制。LM5117的工作频率可以在50～750 kHz范围内设定。可利用自适应死区时间控制来驱动外部高边和低边NMOS功率开关管（《LM5117技术手册》）。

3 方案描述

为满足题目要求，本系统能够处理两种输入信号：16 V直流输入电压、外部负载R。通过人工方式在两种输入信号之间进行功能的切换，然后通过LM5117为核心的稳压电路，分别实现16 V输入、5 V恒压输出，负载R可变输入、1～10 V电压输出这两种功能。同时利用采样电阻采集电流信号交给比较器控制，进行过流保护，提高系统可靠性。整体设计框图如图1所示。

4 方案设计

降低纹波 本系统采用加强输入输出的LC滤波网络，输入输出信号在送到对应端口之前均采用多个电容并联，大大降低纹波电压；输出端的LC滤波网络选用较小电感（10 μH），降低电路功耗，有助于提高电源效率；输出端采取C1和R21阻容吸收网络，消除尖峰[1]。

负载R检测 本系统使用LM358构成的恒流源电路[2]，将负载R的阻值转化成电压差分信号送入INA118仪表放大器进行放大，经恒流源转化后差分信号Ud与负载阻值R之间满足题目要求计算公式：Ud=R/1k（V）。

Ud被放大后通过运放，成为VOUT输出。

负载R检测如图2所示。其中，U1A构成恒流源，RL为待测负载R（仿真电路中条件RL=5k），U2的INA118P为仪表放大器[3]，处理恒流源转化的电压差分信号R3/R5和R6/R4分别构成的分压电路和比例电路。

稳压控制 本系统采用以LM5117芯片为核心的稳压电路，内部高增益误差放大器产生一个与FB引脚电压和内部高精度0.8 V基准之差成正比的误差信号。选取合适的RCOMP、CCOMP和CHF构成π型环路补偿元件，连接至COMP引脚的误差放大器。选取合适的反馈调节网络，使输出电压稳定到需求值[4]。

过流保护 LM5117芯片的UVLO端口是欠压锁定编程引脚。当UVLO引脚低于0.4 V时，稳压器处于关断模式，所有功能被禁用。如果UVLO引脚电压高于0.4 V并低于1.25 V，稳压器随VCC稳压器运行而处于待机模式，此时SS引脚接地，且HO和LO输出端不会切换。决定利用这一特性，使工作电流超过额定电流时强制拉低UVLO口的电压至0.4 V～1.25 V之间，将LM5117芯片置于待机状B。

采集输出电流，将取样电压与达到额定电流时的电压进行比较，将比较结果使用CD4013进行锁存，并反接肖特基二极管SS14，使过流时的UVLO端口钳位到0.7 V，达到过流保护的效果[5]。过流保护如图3所示。主电路整体原理图如图4所示。

5 测试方案与测试结果

首先，将本系统与外部直流电源相连接，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16 V，保持恒定。调节负载大小，当IO=0.2IOMAX，记录UO，即为轻载输出电压；当IO=IOMAX，记录UO，即为满载输出电压，计算负载调整率SI。

其次，调节直流电源输出电压，当系统输入UIN=13.6 V和UIN=17.6 V时，分别记录UO13.6V、UO17.6V，计算电源电压调整率SV。

再次，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN在13.6～17.6 V范围内变化，在其中选取5组不同输入电压值进行测量。记录不同输入电压UIN分别对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。

最后，调节直流电源输出电压，使得系统输入UIN=16 V，保持恒定。改变外接待测电阻R大小，测量并记录不同阻值下对应的输入电流IIN、输出电压UO以及输出电流IO，计算转换效率η。

测试结果如表1～表4所示。

经测试，本系统能够完成题目所有的设计性能要求。并且在负载调整率及转换效率方面均优于设计要求。

6 结论

通过一系列功能测试，本系统以LM5117为核心设计稳压电路，实现16～5 V的DC-DC电压变换，同时能够检测外接负载R大小并根据一定的公式调节输出电压。经测试，系统能够实现所有要求，并提高电源效率达到91%以上，负载调整率降至0.4%，同时将纹波电压峰峰值控制在20 mV

以内，是一款性能优良的降压型直流开关稳压电源。

参考文献

[1]童诗白.模拟电子线路[M].北京：清华大学出版社，1996.

[2]姚福安，徐向华.电子技术实验课程设计与仿真[M].北京：清华大学出版社，2015.

[3]陈大钦，罗杰.电子技术基础实验[M].3版.北京：高等教育出版社，2008.

[4]姚福安.电子电路设计与实践[M].济南：山东科学技术出版社，2005.

直流稳压电源的设计要求篇4

以“直流稳压电源”为载体，对运用Protel 99SE进行设计电路的方法进行了详细而深入的讲解。

关键词：直流稳压电源；Protel 99SE；设计电路的方法

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）11018002

0概述

Protel 99SE是电子设计自动化软件之一。它是电子设计工程技术人员设计和制作PCB常用的软件，能进行电路原理图绘制、电子元器件库和封装库制作、PCB设计等工作，功能完善。本文结合“直流稳压电源”电路讲述PCB设计的过程与方法。从电路原理图到PCB大致分为三个步骤，即绘制电路原理图、生成网络表、设计PCB。

1“直流稳压电源”原理图绘制

打开Protel 99SE软件，创建一个名为“直流稳压电源”的设计数据库文件。在“直流稳压电源.ddb”中，新建一个电路原理图文件，命名为“直流稳压电路.Sch”，打开该文件，设置图纸大小、规格等参数。

放置“直流稳压电源”电路需要的元器件，如果在现有的元器件库中没有找到相应的元器件，则需要载入新的元器件库。值得注意的是，如果软件自带的原理图元器件库中无法找到原理图所需要的元器件，则需要重新建一个新的元器件库文件，自己设计元器件。其元器件列表如图1所示。

将放置好的元器件按原理图的要求用导线、I/O端口、网络标号等连接起来，完成原理图的绘制。

绘制好的“直流稳压电源.Sch”如图2所示。

2电气规则检查与生成网络表

电气规则检查（Electrical Rule Check）是Protel 99SE提供的对电路进行电气规则检查，对电路规则、电路连接、网络标号等方面进行检测，确保电路的合理。电气规则检查可检查原理图中是否有电气特性不一致的情况。如果出现不合理的电气冲突现象，Protel 99SE会按照设计者的设置以及问题的严重性分别以错误（Error）或警告（Warning）等信息来提示设计者注意。其操作方法是执行菜单命令Tools＼ERC打开如图3所示的“Setup Electrical Rule Check”对话框。

该对话框包括Setup和Rule Matrix两个选项卡，它们主要用于设置电气规则的选项、范围和参数，然后执行检查。

网络表（Netlist）是各类报表中较为重要的一个，是电路原理图与PCB间的桥梁，是自动布线的基础。网络表的内容从主要为原理图中元件的数据（元件编号、元件类型或封装信息）以及元件之间网络连接的数据。执行菜单命令Design＼Create Netlist，弹出“Netlist Creation”对话框，如图4所示。

网络定义结束

网络定义以“（”开始，以“）”结束，将其内容包含在内。定义网络首先要定义该网络的各个端口。

3PCB设计

首先，新建一个PCB文件，确定电路板的边界、板层、布局、布线等要求。然后定义电路板的形状和大小。

然后加载网络表、按设计要求布局、布线。完成布线后，对元器件和走线做一些调整，为了方便调试和维修，对相应的线路进行敷铜。敷铜通常指以大面积的铜箔去填充布线后留下的空白区，可以铺GND的铜箔，也可以铺VCC的铜箔。包地则通常指用两根地线（TRAC）包住一撮有特殊要求的信号线，防止它被别人干扰或干扰别人。PCB图如图5所示。

敷铜是以大面积的铜箔去填充布线后留下的空白区，对于短路或容易烧毁的元器件，可以铺GND的铜箔，也可以铺VCC的铜箔（但这样一旦短路容易烧毁器件，最好接地，除非不得已用来加大电源。

4结语

Protel 99SE是电子类专业尤其是硬件设计工作者进行电路设计与制作的必备技能，需要长期的实践。

参考文献

[1]张辉.Protel 99SE项目式教程[M].成都：西南交通大学出版社，2014，（9）.

直流稳压电源的设计要求篇5

关键词： 煤矿用直流稳压电源 井下通信专用开关电源本质安全

1.引言

煤矿用直流稳压电源是保证煤矿监控系统安全、有效、准确工作的重要设备。它广泛应用于井下通讯、信号采集处理、过程监控等环节，它的技术先进性、功能适应性，以及产品的质量对整个系统的可靠性和性能价格比有着重要的影响。根据资料显示，电子设备的故障大约70%是由于电源引起的［1］。所以，直流稳压电源的性能将直接影响煤矿的安全生产。

2.通信电源系统及电磁兼容和防雷设计

通信电源系统由交流供电系统、直流供电系统和接地系统组成，交流供电系统由主用交流电源、备用交流电源、高压开关柜、电力降压变压器、低压配电柜、低压电容器屏和交流调压稳压设备及连接馈线组成的供电总体［2］。由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备和相关的配电线路组成的总体称为直流供电系统［3］。

根据对象不同，可采取不同的供电方式，主要供电方式有：整流器独立供电方式，也称没有蓄电池的直流供电方式。电信系统经过整流器，从市电直接获得直流电的供电。高频开关整流器，也称无工频变压器整流器［4］，主要有三部分组成：主电路、控制电路和辅助电源。

电磁兼容（EMC）是表示一种状态的特征，即各种电气设备正常工作互不干扰，它们对其它电气设备不产生电磁干扰，并具有抗外界电磁干扰的能力，因而在同时运行时，各自的功能不受到影响，同时也不受到自然电磁现象［5］，如闪电雷击的影响。

电磁骚扰分为传导骚扰和辐射骚扰。

（1）骚扰限值

电源端口传导骚扰值。当采用准峰值检波测试仪所测试的骚扰值不大于平均值限值时，则认为受试单元满足了两种极限值，就不必在用平均值检波测试仪进行测试。如果测试仪上所示读数在极限值附近波动，则读数的观察时间不少于15s，记录最高读数，孤立的瞬间高值读数忽略不计。电信电源设备信号/控制端口的传导骚扰限值待定。

（2）辐射骚扰限值

在电源系统中经常受到过电压的干扰，过电压产生于下列主要原因。

（1）雷电过电压，包括受直击雷和感应雷产生的雷电过电压。

（2）电源系统内部过电压，包括工频过电压、操作过电压和谐波过电压。

按照YD5078―98通信行业标准《通信工程电源系统防雷技术规定》根据电源设备安装地点条件和额定工作电压的不同，在电信工程中，电源系统按耐雷电冲击指标分为5类。氧化锌压敏电阻是电信电源设备主要采用的避雷器，由于它性能优越、结构简单、小型可靠，得到广泛应用，并有替代过去使用阀式避雷器的趋势。压敏电阻的规格以压敏电阻值和耐流能力表示。主要技术指标有冲击击穿电压、残压和耐流能力，与放电管比较，响应速度快，耐流能力可达10 K（8/20 μs电流波形）。

作为本质安全防爆开关电源，其设计和评价本质安全电路的基本依据是电火花的最小点燃能量。当电路中的电火花能量达到一定数量级时，将会引燃爆炸性混合物，造成不可估量的损失。因此，在设计本质安全防爆开关电源时，必须严格按照本质安全防爆的要求进行设计，也就是其放电火花能量不能大于最小点燃能量。

3.电信电源设备和系统的可靠性分析

可靠性就是在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。可靠性对于电信十分重要，这是因为电信设备乃至由它构成的电信系统日趋电子化，电信设备乃至由它构成的电信系统越复杂，出现故障的概率越高。

可靠度，产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力的概率称为该产品的可靠度。

（1）平均失效率

λ（t）==

将上式改写成微分方式，得到：

λ（t）=-

（2）平均寿命与平均维修时间。使用寿命是产品在规定的条件下从规定时刻开始，到失效密度变到不可接受或产品的故障被认为不可修理时的时间区间。

根据可靠度的定义，一种产品在t时刻内正常工作的概率为R（t），则按照统计理论，该产品寿命的数学期望值亦即使用寿命T可表示为：

T=?蘩R（t）dt=?蘩edt=

电信电源系统的可靠性估算。

对于电源系统，则要根据具体的电路结构、构成系统各种电源设备在考察情况下的可靠性用估算的方法估算其可靠性。为此，必须把物理结构的供电系统图，改变成表示构成电源系统的各个部分在电路中关于可靠性的逻辑关系的方框图。其供电方框图如图1所示。

（1）交流电源部分的稳态不可用度U和平均恢复前时间MTTR。二类市电的年稳态不可用度应小于3×10，平均故障持续时间应不大于6h；柴油发电机组运行过程中的故障率极低，其平均失效间隔时间MTBF应不小于600 h，远低于启动失败率，可靠性估算中可予忽略。由于市电与柴油发电机组并联，再与交流配电屏串来联，先计算并联柴油发电机组的U。

计算市电与柴油发电机组并联的MTTR为：

MTTR===0.462

由于市电与柴油发电机组并联后，再与交流配电屏串联，故交流电源部分的平均恢复前时间MTTR为：

MTTR=

==0.534

（2）整流器以前部分的稳态不可用度U和平均恢复前时间MTTR。首先计算两台整流器并联的稳态不可用度Uzs。

单台整流器的平均失效间隔时间MTBF为5×10 h。由以下公式可求出单台整流器的MTTR：

U=

MMTR==0.33（h）

由于两台整流器并联，故：

MTTR=×0.33=0.165（h）

交流电源部分与整流器串联，故整流器以前部分的稳态不可用度U为：

U=U+U=4×10+ 4.356×10≈ 4×10

整流器以前部分的MTTR为：

MTTR=

==0.534

4.主电路设计

4.1充放电控制电路的设计

系统选择的STSR12M7.0AT型蓄电池在使用时要防止过充电和过放电，一般限制在±10%左右的额定电压以内。对于12 V的铅酸蓄电池，其充电电压最高为13.2 V，最低放电电压为10.8 V，三个12 V铅酸蓄电池串联使用时，则最高充电电压为39.6V，最低放电电压为32.4 V。

4.2DC/DC变换器的设计

AC/DC是交流和直流连接部，此时的额定电压为220/380ACV，模拟雷电压冲击波电压峰值为2.5kV（1.2/50μs），模拟雷电流冲击波电流峰值为1.25 kA（8/20 μs）。选择相应的避雷器产品满足其要求［6］。

单片开关式集成稳压器被誉为新型高效节能稳压电源，其电源效率可达90%以上。由于它把开关电源所需的基准电压源、锯齿波发生器、脉宽调制器（PWM）、功率输出级（即开关功率管）和各种保护电路全部集成在芯片中，实现了单片集成化，因此它在各种开关电源中的集成度最高、功能最全、性能优良而电路非常简单［7］。

5.结语

煤矿用直流稳压电源是保证煤矿监控系统安全、有效、准确工作的重要设备。长期以来一直是井下监控系统稳定、可靠工作的关键所在。它广泛应用于井下通讯、信号采集处理、过程监控等环节，它的技术先进性、功能适应性，以及产品的质量对整个系统的可靠性和性能价格比有着重要的影响。

本文创新点：针对煤矿井下湿度大、矿尘大、电磁干扰大，以及空间小、工作场所分散等这些特殊要求，设计了井下通信专用开关电源，符合本质安全型输出的要求，特别是本质安全信号在传输电缆断裂等各种故障情况下，均不能导致燃烧和爆炸事故的发生。还可在75%―115%的输入电压范围内能稳定工作，并有足够的功率输出，满足不间断供电，安装使用也比较方便，可靠性和供电质量都非常高。

参考文献：

［1］户永清.高性能开环直流稳压器设计［J］.微计算机信息，2006，（02）.

［2］张立森，王立志，邵一丹.基于CMOS的开关电容DC-DC降压变换器［J］.微计算机信息，2007，（20）.

［3］朱雄世．新型电信电源系统与设备．人民邮电出版社，2002.

［4］李爱文．现代通信基础开关电源的原理和设计．科学出版社，2001.

［5］白同云，吕晓德．电磁兼容设计．北京邮电大学出版社，2001.

［6］张卫平等．绿色电源―现代电能变换技术及应用．科学出版社，2001.

［7］王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源使用技术.电子工业出版社，1999.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”

直流稳压电源的设计要求篇6

一、整流模块

整流模块的维护措施包括三个方面。一，提高模块的输出能力。整流模块的标定电流值与其实际输出能力之间存在一定的差异，因此确定整流模块的输出能力要综合考虑其运行环境、元件的使用时间等。控制整流模块的满负荷运行状态，增加模块备份，对模块内部积热进行处理，确保其输出能力。二，对通信机进行定时清洁，包括除尘和防潮。模块表面灰尘过多会影响其正常散热，容易导致温度升高，影响系统的运行稳定。防潮可通过建立密闭空间来实现，对地势较低的基站，还要考虑雨水对其干燥度的影响，对地势低的基站进行垫高处理，防止雨水带来设备短路。三，合理设置接地电阻值，并认真检查接地系统。在过压保护的基础上进一步确保系统电流输出稳定。防止高压带来的整流模块损坏。

二、交流配电单元

交流电源是基站电源系统的主流电源，使用交流电源能够确保稳定的电源输出，但需要对其配电电源进行合理的监控与设置，主要是针对安全预警值范围的设置。交流配电单元的系统维护主要是确保其电流运行稳定，合理设置电压输出，并在必要的位置设置安全预警。根据当地用电需求，正确设置预警范围，减少由于电压波动而造成交直流的频繁切换，影响设备的安全性。交流配电单元的稳定运行与预警值的设置有密切的关系，对于偏远地区等电流不稳定现象，要对系统默认的预警值进行调整，安装稳压装置，确保配电单元的运行稳定。

三、蓄电池保护

蓄电池的安装、输出电压范围以及负载能力均需要维护。维护措施如下：其一，要合理安装蓄电池，安装力度适中，搬运要小心，防止蓄电池受到挤压而造成破损。蓄电池的安装位置应选择干燥、通风且远离阳光直射点的地方，空气湿度、温度都会影响蓄电池的稳定性和使用寿命。温度越低，容量越小，反之则内阻就越大，从而影响蓄电池的存放。其二，保持蓄电池良好的使用环境，使用合理的浮充电压。移动基站电源系统的输出精度低，会对输入电压造成较大影响，使其出现较大范围的波动，缩短使用寿命。当长时间使用低电压或高电压运行时，蓄电池内部会发生硫化或极板老化，甚至导致脱落，要解决这一问题要求基站工作人员严格按照蓄电池的规定浮充和均冲电压进行设置，不能以开关电源厂家所提供的出厂设计值来进行充电。其三，是通信电源的带负载能力保护。要求维护人员对出现负载变化的整流模块电压进行调整，检查蓄电池的浮充电压，确保其在正常的使用范围之内，在这一过程中还要保证整流模块输出电流一直，以避免模块处理不均一个像正常运行。

四、集中监控装置

从某种意义上讲，集中控制是当下基站电源系统管理的主要手段，也是未来发展的一种趋势。因此，通信电源的制造厂商也开始将设计中心转向电源监控装置。电源种类增多，监控模块和电源监控设备也存在差异，给基站人员的维护工作带来了麻烦。针对这一问题，要对集中监控进行合理的设置，要求运营商对其产品端口进行进一步完善与修改，亦可采取错开通信基站的具体检修实现来统一电源监控设备的目的。但在实际生产过程中，不同生产厂家的监控模块在性能上、设置上存在一定的差别，要求基站选择市场上较为成熟的监控技术，并且对于同一基站，要尽量统一使用统一厂家的监控设备，并对其进行使用前的调试。并且要充分掌握不同电源厂家通信电源的传输规约，由此设置一些再硬件活软件设备，以实现统计性能，统一监管，确保基站电源的稳定运行。

五、总结

直流稳压电源的设计要求篇7

【关键词】MSP430F149单片机；A/D转换；开关管

一、系统设计方案

1.总体方案设计

电子负载系统采用MSP430F149单片机、LCD液晶显示、键盘操作、PWM移相控制、功率管电路、A/D转换结合的技术方案；集控制、检变、显示等功能于一体的设计方法。总方案设计框图如图1所示。

2.电流源方案比较

方案一：根据传统线性恒流源的原理，以集成纹样芯片（LM337）与数字电位器构成电源的主体部分，通过单片机改变数字电位器的阻值，以及实现对恒流源输出值的调整，并使用LCD12864显示其数值，其原理方框图如图2所示。由于流过的电流较大，需要并串多个数字电位器才能满足输出的电流要求，且系统的开环控制稳定性较差，精度较低。

方案二：根据开关电源的原理，经AC/DC变换过程来实现可调稳流的功能，主电路由整流滤波电路、斩波电路和恒流电路构成。其工作过程如下：市电经变压器降压后，通过整流桥，电容器滤波，变成平稳的直流电，该方案可靠性高，编程容易。电源设计框图如图3所示。比较两种方案，最终选择方案二。

3.采样方案

方案一：采用外置A/D转换器，如10位A/D转换器TLC1549系列对功率器件两端电压取样，并进行转换、控制、存储和显示。TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且在设计时使在满刻度时总误差也不高，因此广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。

方案二：采用TI公司提供的高性能单片机内部的12位高速A/D转换器，最多能同时对8个模拟量采样，MPS430系列产品内部A/D转换器件性能优良、速度快、功耗低、精度高、可靠性好、电路简单，接口简便，实用价值高，与对应的MSP核心控制模块协同控制，分辨率较高，采样精确方便。

采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，从功率电路采集实际工作电压和电流，反馈到MSP430单片机，由单片机根据采样电压自动循环调节功率器件上的电流达到平衡点稳定下来，最后通过液晶屏显示出来。本设计需要测出电压值、电流值，对设定值的精确度要求更高，故选择方案二。

二、方案理论分析与计算

1.电子负载及恒流电路分析

电子负载用于测试直流稳压电源、蓄电池等电源的性能。电子负载的原理是控制内功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比），靠功率管的耗散功率消耗电能的设备，它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性阻性和容性，容性负载电流上升时间。它的基本工作方式有恒压、恒流、恒阻、恒功率这几种，本设计采用恒流工作方式。图4为简易直流电子负载原理示意图。

2.电压、电流测量及精度分析

系统要求输出电流为100mA-1000mA，设置分辨率为100mA，设置精度为±1%，我们采用单片机内部12位转换精度的A/D转换器，其量化精度能达到1/4096〈1/2000，完全能达到设计的精度要求。

3.直流稳压电源组成原理

市电经过变压器降压后，通过整流桥，电容滤波，变成平稳的直流电，完成AC/DC的变换，预设的电流值与采样的电流值进行比较后，调整PWM调制脉冲的占空比改变开关管的导通时间以达到预设电流值的目的。

4.电源负载调整率测试原理

直流稳压电源负载调整率是指电源输出电流从零至额定值变化时引起的输出电压变化率。稳压电源及负载调整率测试示意图如图5所示。

三、硬件电路设计

1.显示模块

本设计中要测量实际的电压电流值，采用LCD12864液晶可以显示电压、电流等汉字，一目了然，而且液晶的功耗低、无辐射危害，与单片机连线较简单。MSP430F149单片机与LCD12864的接线如图6所示。

2.按键模块

在系统中需要通过键盘输入设定值，电流单位是mA，通过控制系统采样处理后输出实际值，所以需要有0-9的数字键、确认、清除、增加、减少键；按键较多，所以选择矩阵按键。4*4矩阵按键电路图如图7所示。

3.AD采样模块

在采样点采集的电流和电压经过控制器的处理显示在液晶上，P6.1采集电流，P6.2采集负载电压，MSP430F149单片机内部10位/12位的硬件AD转换器能达到采集的要求，为了节约成本所以选择单片机内部的AD转换器。采样电路如图8所示。

4.放大模块

系统中MSP430F149单片机输出的PWM信号的最高电压才3.3V，驱动电压过小，为了达到驱动电压，需要将电压放大2倍，我们采用TI公司的UA741进行放大。放大器电路如图9所示。

四、软件设计

主程序软件流程如图10所示，在图5中软件首先进行DA、AD、LCD液晶显示、控制变量初始化，再调用键盘扫描处理程序，在没有按下自动调节启动停止按键时，默认为功能设置，此时单片机只预置数据输入、按键查询、预置数据LCD显示等功能；而当按下该按键1次后，单片机将转为执行负载调节、A/D采集、实际数据LCD显示等功能。

五、测试方案与测试结果

1.测试的方案及测试条件

先给定系统一个被测电压，通过键盘输入多个预制电流，测量实际的电压电流值，再通过更改不同的被测电压，测量实际的电流电压值。如表1所示。

2.测试结果

表2 当被测电压为8V时对比表

预置电流（mA） 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

实测电流（mA） 124 210 278 390 505 598 709 798 910 1010

实测电压（mV） 8.07 8.05 8.06 8.05 8.08 8.04 8.06 8.05 8.07 8.05

表3 被测电压为12V时对比表

预置电流（mA） 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

实测电流（mA） 112 208 290 406 499 588 698 805 896 986

实测电压（mV） 12.8 12.6 12.6 12.5 12.4 12.5 12.4 12.3 12.1 12.2

表4 输入电压为5V时的调整率时对比表

被测电源附带电阻Rw（欧姆） 2.2 2.9 3.3

电压调整率 0.174 0.22 0.27

参考文献

[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[2]张虹.模拟电子技术原理与应用[M].北京：北京大学出版社，2009.

直流稳压电源的设计要求篇8

关键词： 航空电源； 陀螺仪； DDS； 平均滤波算法； 惯性导航系统

中图分类号： TN86?34； TP713 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）20?0154?05

Abstract： The navigation and position are the most important functions of the gyroscope used in military and civil aircrafts. The running condition of the gyroscope can affect the aircrafts’ safety directly， and the multiphase power supply providing the electrical energy for the gyroscope determines whether the gyroscope can work stably. The C8051F020 and DDS chip AD9952 based 1 200 Hz waveform generating circuit of two?phase gyroscope power supply is described， in which the high?power MOSFET power supply is used to provide the large enough output power for the integrated operational amplifier MP108 circuit. The smooth waveform output is realized with the hardware and software filtering， which can make the gyroscope work smoothly and accurately. The test results show that the output voltage and frequency of the power supply have high accuracy， good stability and great ability to resist the high?frequency interference， and can satisfy the design requirements.

Keywords： aviation power supply； gyroscope； DDS； average filtering algorithm； inertial navigation system

0 引 言

陀螺仪作为航空器重要的惯性导航设备的重要组成部分，其精度直接影响着整个惯性导航系统的精度，尤其是在极端温度和气候情况下，仍需保证陀螺仪能平滑顺畅进行工作，故需要系统提供高质量的驱动电源，以保证其工作的稳定性和可靠性[1]。

本文重点介绍了以C8051F020为控制核心，运用DDS技术及新型功率驱动方式搭建航空陀螺仪用1 200 Hz两相高性能驱动电源，在硬件方面通过合理设计基准电源、单片机及显示电路、两相DDS发生电路和大功率MOS驱动电路等，输出频率、电压既可定频、定压输出，也可通过数字编码器进行调节，以及有效的软硬件滤波方法，以实现两相1 200 Hz正弦波形的平滑、稳定、高精度输出，使陀螺仪电机能按既定控制要求精确、稳定输出。

1 系统整体设计

系统由控制核心C8051F020、AD9952组成的DDS发生电路、功率驱动电路、检测电路、数字编码器及LCD显示模块及直流供电电源组成，且电路具有完善的过压、过流及短路报警及保护。同时上位机通过16位高分辨率凌华数据采集卡直接采集电压、电流等四组输出参数，实现数据的实时采集和监控。该电源整体系统框架如图1所示。

1 200 Hz两相驱动电源的设计参数为输出容量>100VA，两相相位差为90°，相位稳定度≤2%，输出两相相电压连续可调（7～15 V），电压稳定度≤1%，频率稳定度≤1%，波形失真度≤2%，输出相电流≥2.5 A，负载稳定度≤1%，为实现电路电压的精度，部分元件采用高精度军品级元器件以保证精度需要。

2 系统硬件设计

2.1 C8051F020端口配置及供电电源设计

C8051F020是美国 Cygnal 公司推出的一种混合信号 SoC 型8位单片机，是集成度很高的混合信号系统级的芯片，系统利用单片机的8～12位A/D转换器及其他端口，实现系统模拟量采集、DDS发生电路、LCM240128ZK图形模块显示等功能，为满足C8051F020的供电及基准电源（VREF=2.5 V）、DDS电路、检测电路等的需要，故电路需设计5 V，1.8 V，3.3 V，

±15 V高精度供电电源，以满足单片机及AD9952的需要，均采用了高质量集成稳压器以及参数合理的LC滤波器[2]。尤其是3.3 V和DC 1.8 V，直接影响到DDS输出信号及检测信号的精度，故在电路中运用了高精度电源转换芯片AMS1117?3.3和AMS1117?1.8，以保证供电需要，电源C8051F020端口配置及3.3 V直流电源如图2所示。

2.2 DDS电路设计

AD9952是Analog Device公司推出的新一代DDS芯片。是一个具有14位模数转换功能的直接合成器。该新芯片运用先进的直接数字合成技术，内部连接一个可编程的高速度模拟转换器，能够产生一个频率最高达200 MHz的模拟正弦波输出，并且能够提供快速频度跳动和良好的调频分辩率[3?7]，本设计中通过C8051F020将调频和控制字通过其串行I/O口载入AD9952。同时电路通过仪表放大器AD620完成第一级放大，放大倍数由0.1%的定制精密电阻RS1_38（或RS2_38）决定，按设计要求该级完成总放大倍数的21.213倍，由手册可知AD620放大倍数计算公式为[Au1=1+49.4RS1_38=21.213]，可求得RS1_38=RS2_38=2.444 kΩ。

C8051F020通过SPI串行接口给AD9952的控制寄存器写入控制字，在程序中控制电源的幅值、频率与相位差输出。

如频率控制可用公式：[f=Kfs232]实现，本设计信号为输出频率1 200 Hz，外接晶振频率fs=24 MHz，故FTW0的控制字K=0x89，一方面满足波形频率的要求，另一方面也满足高频采样的要求。

两相电压相位差为90°，AD9952相位计算公式为[?=360°×POW214]，设定A相初相位为0°，则控制变量POWA=00；而B相相位为90°，则POWB=4 096。

而调节AD9952幅值的16位控制寄存器为ASF，其控制范围为0000H～3FFFH，其对应输出电压为0～0.5 V，A相DDS电路如图3所示。

2.3 功率驱动系统及供电电源设计

如图4所示，由于系统要求输出电流每相≥2.5 A，故给集成运放MP108供电的直流电源输出功率要求较大，一般的晶体管稳压电源已很难满足功率及稳定性要求，本设计中采用了单相双MOS管（IRFP150N）推挽输出方式给信号放大电路提供+VS直流供电电压，同时电源进线采用电抗器L1_1和C1组成单路滤波电路，以消除AC 220 V电源带来的扰动，如图5所示为+VS电源及单相功率驱动电路。

根据设计，由MP108组成的同相比例运算电路的电压放大倍数为[1+RG1_2RG1_3=2]，故RG1_2和RG1_3选择精度0.1%的精密军品电阻（1 kΩ）。

2.4 检测电路设计及参数设置

本设计中需要检测两相电压、电流有效值（PHA，PHB，CURRENT1和CURRENT2）经过精密差压放大器AD629以及有效值计算芯片AD536通过AIN0～AIN3四路模拟量输入[8?9]。相位差和频率信号通过LM311整形成矩形波后分别通过C8051F020端口T0，T1和T2进行参数检测，采样频率设定为100 kHz。A相测试如图6所示。频率的检测通过1 s内一个周期内统计的A相矩形波个数n来实现，通过C8051F020的CEXn引脚上出现的有效电平变化导致PCA0捕捉PCA0计数器/定时器的值并将其载入对应模块的16位捕捉/比较寄存器（PCA0CPLn和PCA0CPHn），即输出频率f=n。

而相位差的计算是通过A相和B相在一个周期内捕捉上升沿时刻t1和t2，得到Δt=t1-t2，则相位差ΔΦ=f×Δt×360°，如图7（a）、图7（b）所示。

系统在软硬件初步调试后，上位机得到输出波形如图8所示，由图8可知，在输出级和供电电源部分（如图4和图5所示）采用了LC等滤波电路，波形各项参数已初步达到基本要求，抑制了大部分干扰，但由于硬件滤波器有固定的截至频率，还不能完全抑制系统本身和外界的干扰，所以初测波形扰动及高频噪声仍比较明显，故利用软件算法，采用时滞补偿滤波法对波形进一步优化，使输出两相电压进一步达到标准正弦波。

3 系统软件设计

系统程序按模块化设计，共分初始化、数字电位器及按键检测、电压、电流等检测以及滤波算法模块、LCD显示模块驱动子程序，其中根据去时滞补偿平均滤波算法进行软件滤波，用于DDS初始输出波形的信号处理，以进一步改善波形。程序流程图如图9所示。

3.2 时滞补偿平均滤波算法及程序

在系统中首先要保证输出两相电压波形的平滑度，故在电压检测及高频采样过程中采用时滞补偿平均滤波法，由于采样直接来自输出，故取每一个采样值与理想值的差值，采用反向补偿方式，调整下一个时段的输出信号，即tn时段若采样值为[xn′]，通过计算时刻的参考值xn=Umsin（ωt+φ）可得差值为Δx=xn-[xn′]，则下一时刻实际输出值为yn+1=[xn+1′]+Δx，由于该系统采用100 kHz的采样频率，故补偿虽有一定的时滞性，且该系统选用器件均为高速型器件，信号传输时间短（总时间

3.3 上位机程序设计

系统上位机通过凌华（PCI?6208+6216）数据采集卡采集陀螺仪电源在负载情况下的实时电压和电流参数值，每1 s刷新一次，如图11所示为两相陀螺仪电源参数上位机测试界面。

4 实验与结果分析

通过系统硬件的合理搭建、软硬件滤波方法的合理设计，加载陀螺仪电机负载，通过从常温到低温冻结，以及不同气候情况下，给定电机不同负载，输出电流从0～2.529 A变化的过程中（以设定输出电压11 V为例，并以两相电源空载和满载对比），电压变化量仅为0.005 V，表明两相陀螺仪电源各项参数以及波形分布已完全达到设计要求，其上位机测试界面及波形输出如图11～图13所示。

5 结 论

本文利用直接数字频率合成器（DDS）以及高性能单片机（C8051F020）搭建了两相陀螺仪用1 200 Hz驱动电源，合理布置PCB元件及布线，采取了有效的软硬件抗干扰措施，测试结果表明，该系统电压稳定度、频率稳定度、波形失真度、输出相电流、负载稳定度等参数均满足设计要求，证明了系统设计的正确性、合理性和实用性。

参考文献

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