关键词：稳压电路；功耗；工作效率
0引言
直流稳压电源必须经过稳压电路和滤波电路后才能得到电压基本稳定、纹波相对较小的直流电，通过控制电路精确快速调整后，得到稳压精度和性能符合标准的直流电压。再经过滤波器滤波后，得到所需要的输出直流电。
1硬件系统结构
从实用性、精确度和检测设备实际等多方面考虑，采用单片机技术对电路进行处理，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，采用单片机技术的稳压电路。
总体设计方案主要为利用AT89C52单片机作为控制模块，电源模块运用直流稳压电源的工作原理，为转换电路提供所需的工作电压；数模转换模块运用数模转换器、运算放大器等元件将电信号进行处理，最终输出满足条件的电压值。上述组合配合键盘扫描模块、LCD显示模块等其他组件，把220V、50Hz交流电实现低电压直流0到30V可调输出。
硬件设计由AT89C52单片机作为控制中心。由电源电路、数模转换电路、显示电路和键盘电路等部分共同组成。系统的结构框图如下图所示。
2T89C52型单片机简述
单片机的主控系统如下图所示。XTAL1引脚和XTAL2引脚接时钟电路，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，在片内为振荡器倒相放大器的输入，XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端，在片内为振荡器倒相放大器的输出。1KST引脚为复位端，接在电容与P1.0P1.1、电阻并联处EA引脚为接地端。
P1.2三端与数模转换器5615相连，右侧接口分别与显示电路（ADO-AD7、A8-A10）和按键电路（A13、A14）相连。
3键盘电路
如图所示，键盘电路有“+”、“-”两个按键，分别同单片机P2.5、P2.6端口相连。按键功能顾名思义：“+”表示增加电压值、“-”表示减少电压值，按键一次改变的电压值为0.1V。电路主要由2个10kΩ的电阻组成，当有键按下时，电路中出现通路产生电流，传输到单片机中，单片机软件系统进行数据处理，分别将数字信号传递给数模转换器5615和LCD显示器。
4显示电路
设计的显示电路主要应用LCD液晶显示屏，考虑到液晶显示屏显示效果好，清晰直观，性价比高。标识端口D0到D7端口作为数据输入端，标识端口E、1KW、1KS作为控制信号输入端。显示屏上面共显示“Input”、“Output”两个数值，“Input”为单片机发送给5615的数值，“Output”为外输出的电压值。其电路连接如图所示：
5电源电路
本设计的电源电路主要包括降压、整流、滤波、稳压共四部分。工作主要通过外接电源输入220V、50Hz交流电，经过处理后，为转换电路输出工作所需的5V、±15V、30V、32V五个电压值，最大工作电流为IOMAX为1A，其主电路图详见附录B。由于电路图比较大，分为上下两部分电路着重对各组成进行分析阐述。
电源电路（上）如下所示，其工作目标为输出5V和±15V三个电压值。
（1）降压。此处的电源变压器（TR1）起降压作用，将220V交流电压变为整流电路所需的低压交流电。
（2）整流。电路的作用是将交流降压电路输出的大小、方向都变化的低电压交流电转换成单相脉动直流电。
（3）滤波。电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用，其特点是电路简单，输出脉动较小，输出电压平均值大，但输出电压随负载变化较大。
（4）稳压。经过滤波电路，输出电压虽已变得平滑，但输出电压会随负载变化较大，后面需接稳压电路。
根据本设计条件，稳压器选用型号为LM7815、LM7915和LM7805的三端固定稳压器各一个，分别用于输出三个电压值电源的稳压。
电源电路如下所示，其工作目标为输出32V和30V两个电压值。
经滤波之后，一条支路直接将32V电压输出，供数模转换电路LM317稳压器使用；另一支路连接LM317稳压器，并与电阻R2和R1并联，所输出电压为：U新=32V×R2/（R1+R2）=30V，通过计算可得R1：R2=1：23，由电路需满足负载要求，应选阻值较大电阻，使电压更稳定，因而选择R1=200Ω，R2=4600Ω。电容C2在输出前用于滤除小波纹，电路输出直流30V电压，供数模转换电路OPA454运算放大器输入。
6数模转换电路
本电路用于将数控部分传递来的数据信号转换成电压信号输出，也就是我们通常说的数模转换（D/A转换）。由于本电路图较长，分为前后两部分来阐述。
首先介绍下应用的几个元件。
（1）TLC5615串行数模转换器：输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍，并带有上电复位功能（把DAC寄存器复位至全零）。
（2）LM324四运算放大器：具有真正的差分输入，其最主要的优点是可工作在低至3V或者高至32V的电源下，共模输入范围更是包括了负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。其应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器。
（3）OPA454运算放大器：它是一种低成本的运算放大器，其最大的优点是，可以有效输出10～100V范围内的电压值，并允许运用在标准低压逻辑电路中。采用此器件，主要用于电路的最后一级放大。
（4）LM317集成稳压模块：最广泛的电源集成电路之一，有固定式三段稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。其输出电压范围为1.2V到37V，能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常易于使用。
【关键词】单片机；稳压；开关电源；温度传感器
1引言
直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
2工作原理
本智能稳压电源以开关电源为基础电路，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制开关电源的工作状态，同时监测开关电路的工作温度和输出电流大小，其工作原理框图如图1所示。是电经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路，开关调整电路在单片机的控制下输出稳定的直流电。用户可根据需要通过键盘给定稳压电源输出的电压值及最大输出电流值，单片机系统自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并与用户给定数据进行比较，然后根据设置的调整算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值，单片机在调整电源输出电压的同时还要检测电路的工作温度和输出电流，倘若超过给定值，就启动保护电路。
图1智能稳压电源框图
3硬件设计
3.1单片机组成系统
智能稳压电源的单片机系统是以8031为CPU，包括8kRAM(芯片6264数据存储器)和16kROM(芯片27128程序存储器)，以及1kEEROM。EEROM是用来保存最后一次从键盘输入的电压、电流数据以及温度、脉宽调整数据等，每次开机时单片机从EEROM中读出数据控制电源输出。另外还扩充一片集成电路8155来补充8031的I/O口，其中8155的A口作输出，提供LED显示数据口，B口作键盘输入口，C口作为输出，提供开关调整电路激励脉冲信号。具体框图见图2。
3.2传感器输入通道及A/D转换
电流传感器是由一段康铜片串接在电源输出电路中制成，电压传感器使用电阻分压方式，单片机系统通过电流、电压传感器检测电流和电压，测得两路模拟信号，先通过各自放大器放大成与A/D转换器相匹配的信号，经多路选择开关CD4051送给A/D转换器。由单片机CPU控制选择有关通道进行分时切换，实现二选一，依次将两路模拟信号送至AD1674转换器，进行A/D转换后变成数字信号，再经光电耦合器送入8031单片机。
3.3开关管控制信号发生电路
为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制的控制方式调节开关管的工作状态。8155把单片机的高频脉冲信号分频后变成适宜的开关脉冲信号，作为8155的计数脉冲和门控信号，单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较，产生误差信号，根据电压控制算法设置8155产生不同占空比(0～90％)的方波信号，经过光电耦合器控制开关调整电路输出设定的电压。
3.4监测和保护系统
为了使智能稳压电源能可靠、安全地工作，本系统设置了多重监测和保护系统，主要包括过热保护、过流保护和短路保护，其中过热保护采用中断方式控制。单片机系统通过温度传感器和电流传感器检测开关电路的工作温度和电源输出电流，倘若温度和电流超过给定值，单片机系统就切断开关电路激励信号并启动声光报警。单片机对短路保护采用电压和电流双重检测，只有当电压很低，电流很大时才启动短路保护。
3.5键盘及显示电路
智能稳压电源的键盘与显示部分装在仪器操作面板上，由8位LED数码管，3个LED指示灯以及16只键构成，其
中4位数码管显示电源电压，4位数码管显示电流，3个灯作为报警显示。键盘与显示电路通过8155接口电路与8031相接。
4软件设计
本系统软件是由一个主程序，两个中断服务程序和一个子程序组成，它控制着智能稳压电源有条不紊地工作。
在初始化过程中，先是将8031各个口复位，然后从EEROM中读出上次关机前存入的数据，控制开关电路，并进行显示。初始化完成后，开中断。若有中断请求则响应，否则进行数据采样并读给定值，然后进行数据处理，若有短路或过流情况发生，则调用报警保护子程序，若没有短路或过流情况发生，则接照电压控制算法重新设置脉宽，激励开关电路。两个中断服务程序分别是过热检测保护报警程序和键盘设定程序，子程序是保护报警程序。
关键词：波纹；开关电源；晶体管
引言
在用电控制的仪器设备中，都需要稳压电源，由于价格、功率等的要求，因此设计人员更倾向于使用开关电源，而很少使用线性电源。开关电源的优势在于转换效率高，最高可以达到将近97%，另外开关电源重量轻、体积小。开关电源最大的缺点是输出的纹波和噪声电压较大，而这一性能影响到仪器设备的运行，特别是对于需要处理小信号的仪器中，电源产生的噪声可能会干扰输入的信号，使得仪器无法正确运行。如何处理好电源的噪声，有很多方法[1][2]，本文通过一个典型电源电路分析开关电源产生纹波和噪声的原因及减小纹波和噪声的措施，并详细探讨了电源各部分电路的原理功能和实现的方法。
1干扰产生分析
电信号干扰分为：噪声（nois）和纹波（ripple）两种，其表现形式为图1形式。噪声的定义是指在直流电压或电流中，叠加了振幅和频率上完全无规律的交流分量。该分量会干扰电路的分析、逻辑关系，影响其设备正常工作。纹波是指叠加在直流电压或电流上的交流信号，会降低电源的效率，严重的波纹更有可能会损坏用电设备，另外波纹还会干扰数字电路的逻辑关系，影响设备工作状态。通常的开关电源输出的直流电压中叠加了由噪声和波纹引起的交流信号。波纹主要是由于开关电源的开关动作造成的，而波动的频率跟开关的频率是一致的，大小取决于输入、输出电容的参数。作为开关的元件都有寄生的电感与电容，当元件在电流流动变化工作时，会产生电压与电流的浪涌，这些浪涌信号都会在电源产生干扰信号。浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。该峰值电流远远大于稳态输入电流，这种瞬时过电流称为浪涌电流，是一种瞬变干扰。噪声电压主要跟电源的拓扑结构、电路中的寄生参数、工作的电磁环境以及印制电路板的布线有关。当信号较小的时候，会产生干扰的信号。图2（a）是实验信号波形，（b）是小信号上叠加了干扰的波形。干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声，干扰的产生来自多方面，电路设计不合理、器件使用不当、工作环境干扰、电源噪声等，其中电源产生的噪声是常见主要的原因，而这些干扰信号会造成后续电路一系列的处理误差，所以在要求较高的场合，这样的噪声是必须要解决的。
2解决措施
开关电源电路一般由整流平滑电路、集成开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路、次级侧整流平滑电路等构成。其工作原理：开关电路供应稳定电压和平滑的电流，是本电路的主要部分，开关晶体管的集电极电流决定电源的输出电流。纹波的解决措施[3][4]主要有：调整电感和电容参数、增加电容电阻缓冲网络。
2.1调整电感和电容参数
电流波动与电感参数、以及输出电容大小有关，通常电感值越小，波动越大，输出电容值越小，波纹越大。因此可以通过增大电感值和输出电容值来降低波纹。在这里以BUCK型开关电源为例，当开关电源工作时，提供的电压不变，但是电流会变化，为了稳定电源的输出电流，在如图4（a）的指示位置并联一个电容C+。通过增加电感值的方法来减小波纹的做法是受限的。因为电感越大，体积就越大。电感的取值可以这样计算：假定输入电压为Vin，输出电压为Vo，工作频率为f，输出电流为I，电感中电流的波动值为驻I的话，有：在电路调试过程中发现，随着C+不断增加，减小波纹的效果会越来越差，同时增加f，会增加开关损失。因此可以通过再加一级LC滤波器的方法来改善，如图4（b）所示。LC滤波器抑制波纹的效果较好，只要根据需要除去的纹波频率选择合适的电感电容即可。
2.2增加电容电阻缓冲网络
在二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻与电容取值要经过反复试验才能确定，一般选择电阻为10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。
3电路设计及实测
根据以上分析，设计出了一种开关稳压电源如图5所示，采用可控硅触发方式。通过整流放大后的波纹去触发可控硅的导通，当整流电压值为零时，可控硅自动关断。只要用输出电压的变化来控制触发信号的前沿，即可实现稳压。稳压电路主要由可控硅、4个晶体管和1个变压器等组成，如图5所示。我们在multisim环境下对该电路进行仿真，效果非常好。再用实际电路搭试，并加上30欧姆纯电阻阻抗后，选取了7个测试点，测试波形见图6所示。图中变压器T、二极管D1～D4和电容器C1-4组成整流滤波电路，测试点1电压纹波波形见图6中1的图像，显然是在全波整流后的纹波出现；电阻R2、R3和隔直电容C5组成取样电路，测试点2电压纹波波形见图6中2的图像；控制可控硅的纹波信号测试点3、4电压纹波波形见图6中的3、4的图像；隔直后的测试点5电压纹波波形见图6中的5的图像；线圈T2控制信号的初级波形见图6中7的图像；线圈T2次级控制可控硅信号见图6中6的图像。当电压没有纹波时，线圈T2不发挥作用，但当电压有波动时（纹波），则自动控制可控硅工作，抑制电压的波动。在电路中的电感对抑制电压的波动也起到了良好的作用，其电感值可以根据电压的大小和对纹波的要求进行适当的选择。该电路在最后的输出功率可以达到110W，当负载发生变化10-104欧姆时，电压变化的范围大约是1毫伏。
4结束语
本文对开关电源噪声与纹波的产生原因和抑制方法进行了分析和讨论，并设计出了一种晶体管开关稳压电源电路，观察仿真实验，可以得出该设计能够抑制一定的电源噪声与波纹。在实际中，需要依据产品的参数，如体积、成本等问题综合考虑，选择合适的设计方法。
参考文献：