1、制作一台数控恒压恒流电源（上）( 一 )2010-11-12 16:03:17来源 : 无线电杂志魏 坤 【 作者 : 肖庆高大中 小】 浏览 :2874 次 评论 : 0 条直流 源是任何 子 路 中不可缺少的基 器 ，基本在所有的跟 有关的 室都可以 到。 于一个 子 好者来 ， 直流 源也是必不可少的。 要得到一个 源，一般有两种方法：一是 一台成品 源， 最 省事：二是自己制作一台 源（因 你是 子 好者） ，当然相比于第一种方法会麻 很多。 很 然 篇文章不是教你如何去 一台直流 源基本的恒 恒流 源 构框 如 1 所示。由 基准源、 整管、 差放大、 取 以及 流取 成。 基准源的
2、作用是 差放大器提供一个参考 ，要求 准确且 定并且受温度影响要小。取 路、 差放大和 整管三者 成了 回路以 定 出 。 的 构中 基准源是固定的， 和 流的取 路也是固定的，所以 出 和最高的 出 流就是固定的。 而一般的可 恒 恒流 源是采用改 取 路的分 比例来 出 以及最高限制 流的 。1 / 7基本恒压恒流电源框图图2图 1基本稳压电源简图图 2 中所示的是一个基本输出电压可变的稳压电源简图，可以很明显地看出这个电路就是一个由运算放大器构成的同相放大器，输出端加上了一个由三极管组成的射极跟随器以提高输出能力，因为射极跟随器的放大倍数趋近于1，所以计算放大倍数时不予考虑。输入电压 V
3、+通过 R1 和稳压二极管 VD产生基准电压Vref ，然后将 Vref 放大 1+R3/R2 倍，即在负载 RL 上的得到的电压为 Vref （ 1+R3/R2），因为R3 可调范围是0R3max，所以输出电压范围为VrefVref（ 1+R3max/R2）。这不就和我们常用的LM317 之类的可调稳压芯片一样了，只是像 LM317 之类的芯片内部还集成了过热保护等功能，功能更加完善， 但是也有它的弊端，主要因为它是将电压基准、调整管、 误差放大电路都集成在了一个芯片上，因此在负载变化较大时芯片的温度也会有很大的变化， 而影响半导体特性的主要因素之一就是温度，所以使用这种集成的稳压芯片不太容
4、易得到稳定的电压输出，这也正是高性能的电压基准都是采用恒温措施的原因，比如LM399、LTZ1000 等。一只正在 FLUKE8808A图 3五位半数字万用表中“服役”的LM399H图 3 是我从FLUKE 8808A 五位半数字万用表中拍的恒温电压基准LM399H。扯远了，言归正传（欲了解更多关于电压基准源的知识，请参看以前无线电杂志2008 年第 7 期中张利民老师有关电压基准的文章）。这种以改变取样电阻阻值来改变输出电压的稳压电源应用是比较普遍的， 图 4 照片中是我们实验室中大量使用的稳压电源，就是使用调节取样电阻阻值来调节输出电压的， 电压电流的显示是使用一片专用的电压测量芯片ICL
5、7107 实现的， 这种电源价格低廉2 / 7易于普及， 但也有显而易见的缺点，因为进行电压调节的可变电阻经过长时间使用会出现接触不良的情况， 这导致的后果是相当严重的，假设你正在将电压从5V 慢慢地向6V 调整，因为某个点电位器接触不良，相当于电位器开路，从图2 可以看出，R3 开路的话，输出电压就是能输出的最高电压，那么你心爱的电路板就可能会回到文明以前了。图 4常用的稳压电源图 5AgilentE3640A数控稳压电源所以更高端的电源如图 5 所示的 Agilent E3640A采用数字控制的方法来实现电压以及电流调节的，使用按键或旋转编码器进行设定，这样就根除了调节环节的隐患。然而一切
6、事物都不可能完美，因为数控电源的输出电压都是以最小步进电压值为间隔的离散的电压点，所以不能像模拟控制的电源那样输出连续的电压。但这个缺点对我们平时的实验基本没有影响，所以这样的电源在我们看来还是“完美”的。这篇文章要讲的就是制作一个这样“完美”的数控恒压恒流电源。图6 就是这台电源的实物照片。3 / 7图 6本文所讲述的数控稳压电源图 7面板特写本文所讲的数控恒压恒流电源特性如下：1输出电压设定：020V/0.05V步进2电压输出误差：整个输出范围内实测小于10mV（FLUKE 8808A 五位半数字万用表测试）；3输出电流设定：03A/0.01A 步进；4电流显示误差：小于5mA（FLUKE
7、 8808A 五位半数字万用表测试）；5输出纹波峰峰值小于8mV2A（ Agilent 54641D示波器测试）；6具有关闭设定参数记忆功能；7具有输出使能功能；8三个常用电压值直接设置（3.3V 、 5V、 12V）（可通过程序修改）；9使用 12864 液晶显示器，实时显示设定的电压值、电流值，当前通过测试得到的电压值、电流值以及输出状态（图7 所示）。先做一下原理简析，电源部分的原理图见图8 所示。这是个恒压恒流电源，所以它的结构和图 1 框图中所示结构的就不会有太大的差异。首先 220V 的交流市电经过变压器T1 变压后得到交流双 12V 输出，即有中间抽头的交流24V， VD1VD4
8、组成了桥式整流电路，这个相信大家不会陌生。在这个桥式整流的上方还多了两只可控硅VT1、VT2，方向和 VD1、VD2相同，这两个可控硅的作用是进行电压档位切换的。当电源的设定输出电压在8V 以内时，P4端口的第4 脚 HI/LOW为低电平 （该电平由单片机控制提供），IC1 、IC2 两只光电耦合器不工作， 所以可控硅 VT1、VT2断开，此时的整流桥由VD1、VD2、VD3 和 VD4组成，这时进入整流桥的是交流12V。当电源的设定输出电压高于 8V 时， P4 端口的第4 脚 HI/LOW 为高电平，这时 IC1 、IC2 两只光电耦合器上电工作， VT1、VT2 工作，交流24V 被加到
9、了 VT1、VT2 上， VD1和 VD2此时被反偏而截至， 交流 12V断开，所以此时的整流桥由VT1、VT2、VD3 和 VD4 组成，对交流 24V 进行整流。这样就实现了电压档位的切换， 以代替传统以继电器切换的方式，因为没有机械部件所以寿命更长、可靠性更高。4 / 7图8 原理图 1（电源部分）与图 1 中的结构图相比这个电源的电压电流值都是可以调节的，所以不是取样电路可调就是基准电压可调。 这里我们使用了调基准电压的方法，因为取样电路的调整一般是通过改变两个分压电阻的阻值来调整，要数字控制不容易实现，虽然现在有数控电阻但大多只有8 位，精度太低不能满足要求。在这里调节基准电压是使用
10、了一只12 位的双通道电压输出型DA 转换器TLV5618（ IC5 ），关于这个芯片使用可以参考2010 年 1 月份无线电杂志中我写的数字示波表的文章，其中有详细的描述这理解不多说了。TLV5618 是双通道 12 位的 DA转换器， A 通道用于最高输出电流的设定，B 通道用于输出电压的设定。使用REF191E（ IC6 ）作为 TLV5618 的电压基准，这也就是整个电源的电压基准，基准电压为2.048V ，因为 REF191E的温度系数为 5ppm，负载调整率为4ppm，而且输出电流高达 30mA所以完全满足稳压电源对基准的需求，属于“高配”。TLV5618 使用2.048V 的基准
11、， 输出电压 04.095V时对应的输入数据为04095，我们在这里只取其 04.000V 的输出电压范围，步进1mV。对其进行5 倍放大就得到了020.00V 的输出电压，步进 5mV，而我们的电源所采用的步进是50mV，这样就有足够的余量对DA 转换器的输出带内误差进行修正，但实际使用中不经修正也是满足要求的。5 / 7原理图 2（控制部分）图 96 / 7误差放大器使用了高精度双运算放大器OPA2277P（ IC9 ），因为它有着超低的失调电压和超低的温度漂移系数，以对提高电源的精度和稳定度有着至关重要的作用。TLV5618 的 B 通道输出电压用于设定输出电压，该电压送到IC9A 的同
12、相输入端，反相输入端输入通过R8、 R9 和R10 组成的 1/5 分压电路分压后的输出电压，两者进行比较输出误差电压用以控制调整管进行输出电压的调整，进而实现稳压的目的。对输出电压和电流的测量为了能和输出DA转换器对应，所以使用了一片12 位 4 通道的 AD 转换器 ADS7841E，一通道用于输出电压的测量，二通道用于输出电流的测量。ADS7841E需要一片4.096V 的电压基准，所以使用REF198E（ IC7 ）为其提供，REF198E和 REF191E是同系列芯片，就不多说了。输出电压经过1/5分压后一路送入电压误差放大器 IC9A，而另一路送到了ADS7841E（ IC8 ）的
13、第 2 脚，即 ADS7841E的第一模拟输入单通道进行 AD转换， ADS7841E的输入范围是04095V，对应的输出数据为04095，测试转换的电压分辨率为 1mV，但是输入电压是经过1/5分压的，所以转换后的数值再乘以5 才能得到输出电压值，所以电压测量的最小分辨率为5mV。为了提高输出电流取样的精度，所以输出电流取样使用了一只DALE 产的 0.04 3W 1%精度的低阻值电阻 R5，流过1A 的电流可以产生40mV 的压降，然后使用仪表放大器AD620（ IC10）对 R5两端的压降进行 25倍放大，可以得到1V/1A 的电流取样关系，03A 的输出电流对应03V 的取样输出电压，
14、 可以同时满足 DA 转换器和 AD 转换器的要求。 电流取样所得到的电压一路送到IC9B进行误差放大，另一路送到AD 转换器的第二输入通道进行AD 转换，测量输出电流。因为ADS7841E的输入范围是04095V ，对应的输出数据为 04095 ，所以电流测量的最小分辨率为1mA 。AD620 的放大倍数由R6 和 R7 的并联值决定，计算公式为Rg=49.4k /（G-1），其中 G 为放大倍数，带入 G=25 可得， Rg=2.058k，因为2.058k 不是标准阻值， 故而使用多圈电位器调整得到，为了提高电路的可靠性，所以使用 3k的固定电阻和 10k 的电位器并联使用， 即使电位器失
15、效，也不致使电路参数发生巨大变化而损坏。TLV5618 的 A 通道的输出电压送到IC9B 的同相输入端，IC9B 的反相输入端输入电流取样的电压，由IC9B 进行误差放大输出控制调整管。因为有VD7 和VD8 的存在，当输出电流小于限制电流时IC9B 的同相输入端的电压高于反相输入端的电压，此时 IC9B 输出达到饱和， IC9B 的输出电压高于 IC9A 的输出电压，所以IC9B 的输出电压被VD8 隔离，此时由 IC9A 控制调整管，电路工作在分压状态。当输出电流超过最高输出电流时IC9B 反相输入端的电压高于同相输入端的电压，此时IC9B 的输出电压低于IC9A，于是接管调整管以实现输出电流的恒流，电路工作在恒流状态。因为电源输出电压的最小值是0V，所以 IC9 和 IC10 必须工作在双电源下， 而 IC9和 IC10 对负电源电流的需求很小（低于10m A ），所以使用一片有100mA电流输出能力的电荷泵芯片MAX660（ IC3）将 +5V 电压镜像成 -5V 为 IC9 和 IC10 提供负电压， L1和 C8 组成 LC 滤波器以滤除纹波，使产生-5V 电压更纯净。7 / 7
