双极跟踪可调精密直流电源的设计
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- 一、方案论证
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- 1.1 选择误差反馈回路方案
- 1.2 DA反馈电路方案选择
- 1.3 论证总体方案
- 二、电路及程序设计
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- 2.1整流电路
- 2.2 场效应管电路
- 2.3 反馈电路
- 2.4 电压电流采样电路
- 2.5 过流保护电路
- 2.6 辅助电源电路
- 三、系统软件设计
- 四、测试结果及分析
- 五、总结
摘要：单片机STM以32为核心，设计制造了双极跟踪可调直流电源。该系统主要包括。以场效应管电路为核心，使场效应管在可变电阻区工作，用单片机调节DAC输出电压控制场效应管栅极电压，调节源极输出电压和电流。。双极性对称输出电压范围0-±5V，负载调整率和电压调整率均小于0.2%输出电流过大时自动断开输入，保护系统，可自行恢复。此外，输出电压可通过按键步进调整或自由设置LCD实时显示工作模式和输出值，人机交互友好。
一、方案论证
1.1 选择误差反馈回路方案
??方案一：。此种方案直接将DA输出电压值反馈在三极管的基极上，采用输出电压采样PID算法改变DA输出值以输出电压为设定值。 ??方案二：。该方案将输出电压与DA差分放大比较值，放大后的误差驱动三极管的基极。 方案二将硬件反馈与软件反馈相结合，不但反馈速度比方案一快，而且更加准确稳定，。
1.2 DA选择反馈电路方案
??方案一：。本方案只应用一个DA芯片、负电压误差反馈电路采用相同的加法器，正负电压输出可调电路的输出电压直接反馈到相同的加法器输入端，实现负电压输出跟踪正电压输出可调电路。如图1所示.2.1所示。 
??方案二：。采用两个DA反馈电路分别反馈正负电压输出可调电路。 ??与方案2相比，方案1只需控制一个DA芯片降低了软件算法的复杂性，硬件电路所需的芯片较少，工作简单，可以很好地实现电压跟踪功能。由于方案2采用单独反馈，正负电压输出电路需要单独控制，提高了软硬件的复杂性，。
1.3 论证总体方案
??输入220V市电，。场效应管工作在可变电阻区，使用，反馈电路后，可控制场效应管栅极电压。采用闭环反馈系统，时采样输出电压和电流值PID算法调节DAC输出电压，从而控制网极电压，调整场效应管导程度，实现输出电压值的稳定性。同时，输出电流过大时，继电器自动断开输入，一段时间后恢复。整流电路后，辅助电源电路通过三端稳压器获得±15V用于运输和过流保护模块电源的电压，然后用稳压芯片获得5V单片机采用电压。此外，软件通过按钮实现输出电压1mV、10mV、100mV和1V在0～±5V步进调整或自由设置在范围内，并通过LCD屏幕实时显示工作模式和输出值。
二、电路及程序设计
2.1整流电路
??连接到系统交流电源后，整流电路包括三抽头220V转48V变压器和两个单相桥式整流电路，。单相桥式整流电路中的二极管采用反向耐压值100V、肖特基二极管导通压降小MBR10100CT。关键参数为VRRM=100V，IF(AV)=5A，VF=0.8V。
2.2 场效应管电路
??如图3.现场效应管电路包括57和，±VCC由整流电路提供，MOS管驱动信号由正负误差反馈电路提供。由栅极驱动信号控制MOS管道的导通程度是泄漏电阻RDS从而控制输出电压和电流。
2.3 反馈电路
??如图3.58反馈电路包括使用、运输和释放OPA227搭建的 ??由DAC输出的模拟电压信号信号OP调整相比放大器的范围作为参考信号，相同放大器的输出电压值等于 ( 1 R 1 / R 2 ) ? V D A \left(1 R_{1} / R_{2}\right) \cdot V_{\mathrm{DA}} (1 R1/R2)⋅VDA ，平衡电阻 R 3 = R 1 / / R 2 R_{\mathrm{3}}=R_{\mathrm{1}} // R_{\mathrm{2}} R3=R1//R2 。 系统的输出电压信号在与参考信号进行比较前，先进入由OP3搭建的电压跟随器。电压跟随器输出电压的幅度和极性都与输入电压相同，输入阻抗很高，几乎不从前级汲取电流，且输出阻抗低，向后级输出电流时几乎不在内部引起压降，在电路中作为缓冲级或隔离级。 通过上述电路，得到了经过幅度调整的参考电压信号以及系统输出电压经电压跟随器后的电压信号，二者在OP1搭建的比较器中进行误差比较，比较的结果作为功率管IRF840的驱动信号。 为了实现负电压、电流输出跟踪，使用OP4搭建的加法器电路，系统正负电压输出分别经过电压跟随器后，进入加法器电路，输出信号为 V G 2 = 1 2 ( 1 + R 7 R 4 ) ( V + + V − ) V_{G 2}=\frac{1}{2}\left(1+\frac{R_{7}}{R_{4}}\right)\left(V_{+}+V_{-}\right) VG2=21(1+R4R7)(V++V−) ，其中 R 4 = R 5 R_{\mathrm{4}}=R_{\mathrm{5}} R4=R5 ， V + V_{+} V+ 和 V − V_{-} V−分别是系统正负电压输出经过电压跟随器后得到的电压值。这样，当 V + V_{+} V+ 和 V − V_{-} V− 之和不为0V时，加法器输出信号即PMOS功率管的驱动信号会发生变化，使得系统正负电压输出互为相反数，实现跟踪功能。 DA芯片选用双通道，12位数模转换器DAC7612，它无需外部基准，外围电路简单，输出范围0-5V，输出模拟电压最快可在7μs内稳定到1 LSB，具有同步串行接口，可以与各种DSP和微控制器兼容，功耗仅3.7mW，可以满足本设计的需求。
2.4 电压电流采样电路
电流感应放大器电路使用包括电流感应放大器芯片 。采样电阻 R s R_{\mathrm{s}} Rs 选用温漂小、稳定性好的，，它的。INA282是高精度、宽共模范围、零漂移的电流监视器，对差分输入的信号具有50倍固定增益的放大输出。INA282将流过采样电阻的电流信号转化为电压信号，经过RC滤波器，送入AD采样电路中进行采样处理。 系统正电压输出端也通过RC滤波器接于AD采样电路中。本系统选用的AD转换芯片为16位4通道、高精度、低功耗的ADS1118，支持双路差分输入或四路单端输入，采样速率最高可达860SPS（每秒860次），适合采样直流信号。此外，ADS1118具有2V至5.5V的宽电源电压范围，每个通道的模拟输入范围可达0-5.5V，能够满足设计要求。ADS1118由单片机STM32通过SPI通信控制。
2.5 过流保护电路
过流保护功能。过流保护电路。单片机的IO口输出电流很小，所以要用三极管放大来驱动继电器。继电器的常闭端连接在整流电路中变压器的输入端，。继电器线圈两端反向并联二极管，在三极管由导通变为截止时，吸收继电器线圈感生电动势，消除该电动势与电源电压之和击穿三极管发射结的危险，保证三极管的安全。
2.6 辅助电源电路
辅助电源电路由。由于在系统处于过流保护状态时，部分器件仍需要工作，因此辅助电源电路接在整流电路之后，过流保护电路之前。±15V供电电路分别接在整流电路两输出端之后，+15V供电输出用于过流保护模块供电和反馈电路中运算放大器正电源，-15V供电输出用于反馈电路中运算放大器负电源，+5V供电电路接于+15V供电电路输出端之后，输出用于单片机、AD芯片、DA芯片的供电。这样，就满足了系统中不同部分的供电需求。
三、系统软件设计
系统软件流程图如图3.63所示。。当输出电流过大时，启动过流保护功能，驱动继电器断开输入，延迟一段时间后自恢复。正常工作状态下，将正输出电压采样值与设定值进行比较，对DA输出的模拟电压值进行PID调节，驱动DAC输出模拟电压信号，作为反馈电路中的参考信号，进而改变功率管的驱动电压，调整其导通状态，使输出电压值与设定值相同。
四、测试结果及分析
略。
五、总结
系统以场效应管电路为核心，采用闭环反馈系统，使用单片机通过PID算法调节DAC输出电压，从而控制场效应管栅极电压，使场效应管工作在可变电阻区，调整源极输出电压稳定至设定值。经测试，双极性对称输出电压范围0-±5V，负载调整率、电压调整率均小于0.2%。同时，系统具有过流保护功能，输出电流过大时能够自动断开输入。此外，输出电压可通过按键步进调整或自由设定，并通过LCD屏幕实时显示工作模式与输出值，人机交互友好。
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