直流穩(wěn)壓電源是任何電子電路試驗(yàn)中不可缺少的基礎(chǔ)儀器設(shè)備，基本在所有的跟電有關(guān)的實(shí)驗(yàn)室都可以見(jiàn)到。對(duì)于一個(gè)電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，直流穩(wěn)壓電源也是必不可少的。要得到一個(gè)電源，一般有兩種方法：一是購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)成品電源，這樣最為省事：二是自己制作一臺(tái)電源（因?yàn)槟闶请娮訍?ài)好者），當(dāng)然相比于第一種方法會(huì)麻煩很多。很顯然這篇文章不是教你如何去選購(gòu)一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源……
基本的恒壓恒流電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由電壓基準(zhǔn)源、調(diào)整管、誤差放大、電壓取樣以及電流取樣組成。電壓基準(zhǔn)源的作用是為誤差放大器提供一個(gè)參考電壓，要求電壓準(zhǔn)確且長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定并且受溫度影響要小。取樣電路、誤差放大和調(diào)整管三者組成了閉環(huán)回路以穩(wěn)定輸出電壓。這樣的結(jié)構(gòu)中電壓基準(zhǔn)源是固定的，電壓和電流的取樣電路也是固定的，所以輸出電壓和最高的輸出電流就是固定的。而一般的可變恒壓恒流電源是采用改變?nèi)与娐返姆謮罕壤齺?lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓以及最高限制電流的調(diào)節(jié)。
圖1 基本恒壓恒流電源框圖
圖2 基本穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)圖
圖2中所示的是一個(gè)基本輸出電壓可變的穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)圖，可以很明顯地看出這個(gè)電路就是一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，輸出端加上了一個(gè)由三極管組成的射極跟隨器以提高輸出能力，因?yàn)樯錁O跟隨器的放大倍數(shù)趨近于1，所以計(jì)算放大倍數(shù)時(shí)不予考慮。 輸入電壓V+通過(guò)R1和穩(wěn)壓二極管VD產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vref，然后將Vref放大1+R3/R2倍，即在負(fù)載RL上的得到的電壓為Vref（1+R3/R2），因?yàn)镽3可調(diào)范圍是0~R3max，所以輸出電壓范圍為Vref~Vref（1+R3max/R2）。這不就和我們常用的LM317之類(lèi)的可調(diào)穩(wěn)壓芯片一樣了，只是像LM317之類(lèi)的芯片內(nèi)部還集成了過(guò)熱保護(hù)等功能，功能更加完善，但是也有它的弊端，主要因?yàn)樗菍㈦妷夯鶞?zhǔn)、調(diào)整管、誤差放大電路都集成在了一個(gè)芯片上，因此在負(fù)載變化較大時(shí)芯片的溫度也會(huì)有很大的變化，而影響半導(dǎo)體特性的主要因素之一就是溫度，所以使用這種集成的穩(wěn)壓芯片不太容易得到穩(wěn)定的電壓輸出，這也正是高性能的電壓基準(zhǔn)都是采用恒溫措施的原因，比如LM399、LTZ1000等。
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圖3 一只正在FLUKE 8808A 五位半數(shù)字萬(wàn)用表中“服役”的LM399H
圖3是我從FLUKE 8808A五位半數(shù)字萬(wàn)用表中拍的恒溫電壓基準(zhǔn)LM399H。扯遠(yuǎn)了，言歸正傳（欲了解更多關(guān)于電壓基準(zhǔn)源的知識(shí)，請(qǐng)參看以前《無(wú)線(xiàn)電》雜志2008年第7期中張利民老師有關(guān)電壓基準(zhǔn)的文章）。這種以改變?nèi)与娮枳柚祦?lái)改變輸出電壓的穩(wěn)壓電源應(yīng)用是比較普遍的，圖4照片中是我們實(shí)驗(yàn)室中大量使用的穩(wěn)壓電源，就是使用調(diào)節(jié)取樣電阻阻值來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的，電壓電流的顯示是使用一片專(zhuān)用的電壓測(cè)量芯片ICL7107實(shí)現(xiàn)的，這種電源價(jià)格低廉易于普及，但也有顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的可變電阻經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)出現(xiàn)接觸不良的情況，這導(dǎo)致的后果是相當(dāng)嚴(yán)重的，假設(shè)你正在將電壓從5V慢慢地向6V調(diào)整，因?yàn)槟硞€(gè)點(diǎn)電位器接觸不良，相當(dāng)于電位器開(kāi)路，從圖2可以看出，R3開(kāi)路的話(huà)，輸出電壓就是能輸出的最高電壓，那么你心愛(ài)的電路板就可能會(huì)回到文明以前了。
圖4 常用的穩(wěn)壓電源
圖5 Agilent E3640A數(shù)控穩(wěn)壓電源
所以更高端的電源如圖5所示的Agilent E3640A采用數(shù)字控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓以及電流調(diào)節(jié)的，使用按鍵或旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行設(shè)定，這樣就根除了調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的隱患。
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然而一切事物都不可能完美，因?yàn)閿?shù)控電源的輸出電壓都是以最小步進(jìn)電壓值為間隔的離散的電壓點(diǎn)，所以不能像模擬控制的電源那樣輸出連續(xù)的電壓。但這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)我們平時(shí)的實(shí)驗(yàn)基本沒(méi)有影響，所以這樣的電源在我們看來(lái)還是“完美”的。這篇文章要講的就是制作一個(gè)這樣“完美”的數(shù)控恒壓恒流電源。圖6就是這臺(tái)電源的實(shí)物照片。
圖6 本文所講述的數(shù)控穩(wěn)壓電源
圖7 面板特寫(xiě)
本文所講的數(shù)控恒壓恒流電源特性如下：
1．輸出電壓設(shè)定：0~20V/0.05V步進(jìn)；
2．電壓輸出誤差：整個(gè)輸出范圍內(nèi)實(shí)測(cè)小于±10mV（FLUKE 8808A五位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試）；
3．輸出電流設(shè)定：0~3A/0.01A步進(jìn)；
4．電流顯示誤差：小于±5mA（FLUKE 8808A五位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試）；
5．輸出紋波峰峰值小于8mV@2A（Agilent 54641D示波器測(cè)試）；
6．具有關(guān)閉設(shè)定參數(shù)記憶功能；
7．具有輸出使能功能；
8．三個(gè)常用電壓值直接設(shè)置（3.3V、5V、12V）（可通過(guò)程序修改）；
9．使用12864液晶顯示器，實(shí)時(shí)顯示設(shè)定的電壓值、電流值，當(dāng)前通過(guò)測(cè)試得到的電壓值、電流值以及輸出狀態(tài)（圖7所示）。
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先做一下原理簡(jiǎn)析，電源部分的原理圖見(jiàn)圖8所示。這是個(gè)恒壓恒流電源，所以它的結(jié)構(gòu)和圖1框圖中所示結(jié)構(gòu)的就不會(huì)有太大的差異。首先220V的交流市電經(jīng)過(guò)變壓器T1變壓后得到交流雙12V輸出，即有中間抽頭的交流24V，VD1~VD4組成了橋式整流電路，這個(gè)相信大家不會(huì)陌生。在這個(gè)橋式整流的上方還多了兩只可控硅VT1、VT2，方向和VD1、VD2相同，這兩個(gè)可控硅的作用是進(jìn)行電壓檔位切換的。當(dāng)電源的設(shè)定輸出電壓在8V以?xún)?nèi)時(shí)，P4端口的第4腳HI/LOW為低電平（該電平由單片機(jī)控制提供），IC1、IC2兩只光電耦合器不工作，所以可控硅VT1、VT2斷開(kāi)，此時(shí)的整流橋由VD1、VD2、VD3和VD4組成，這時(shí)進(jìn)入整流橋的是交流12V。當(dāng)電源的設(shè)定輸出電壓高于8V時(shí)，P4端口的第4腳HI/LOW為高電平，這時(shí)IC1、IC2兩只光電耦合器上電工作，VT1、VT2工作，交流24V被加到了VT1、VT2上，VD1和VD2此時(shí)被反偏而截至，交流12V斷開(kāi)，所以此時(shí)的整流橋由VT1、VT2、VD3和VD4組成，對(duì)交流24V進(jìn)行整流。這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓檔位的切換，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)以繼電器切換的方式，因?yàn)闆](méi)有機(jī)械部件所以壽命更長(zhǎng)、可靠性更高。
圖8 原理圖1（電源部分）
與圖1中的結(jié)構(gòu)圖相比這個(gè)電源的電壓電流值都是可以調(diào)節(jié)的，所以不是取樣電路可調(diào)就是基準(zhǔn)電壓可調(diào)。這里我們使用了調(diào)基準(zhǔn)電壓的方法，因?yàn)槿与娐返恼{(diào)整一般是通過(guò)改變兩個(gè)分壓電阻的阻值來(lái)調(diào)整，要數(shù)字控制不容易實(shí)現(xiàn)，雖然現(xiàn)在有數(shù)控電阻但大多只有8位，精度太低不能滿(mǎn)足要求。在這里調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓是使用了一只12位的雙通道電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器TLV5618（IC5），關(guān)于這個(gè)芯片使用可以參考2010年1月份《無(wú)線(xiàn)電》雜志中我寫(xiě)的數(shù)字示波表的文章，其中有詳細(xì)的描述這理解不多說(shuō)了。TLV5618是雙通道12位的DA轉(zhuǎn)換器，A通道用于最高輸出電流的設(shè)定，B通道用于輸出電壓的設(shè)定。使用REF191E（IC6）作為T(mén)LV5618的電壓基準(zhǔn)，這也就是整個(gè)電源的電壓基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓為2.048V，因?yàn)镽EF191E的溫度系數(shù)為5ppm，負(fù)載調(diào)整率為4ppm，而且輸出電流高達(dá)30mA所以完全滿(mǎn)足穩(wěn)壓電源對(duì)基準(zhǔn)的需求，屬于“高配”。TLV5618使用2.048V的基準(zhǔn)，輸出電壓0~4.095V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)為0~4095，我們?cè)谶@里只取其0~4.000V的輸出電壓范圍，步進(jìn)1mV。對(duì)其進(jìn)行5倍放大就得到了0~20.00V的輸出電壓，步進(jìn)5mV，而我們的電源所采用的步進(jìn)是50mV，這樣就有足夠的余量對(duì)DA轉(zhuǎn)換器的輸出帶內(nèi)誤差進(jìn)行修正，但實(shí)際使用中不經(jīng)修正也是滿(mǎn)足要求的。
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圖9 原理圖2（控制部分）
誤差放大器使用了高精度雙運(yùn)算放大器OPA2277P（IC9），因?yàn)樗兄偷氖д{(diào)電壓和超低的溫度漂移系數(shù)，以對(duì)提高電源的精度和穩(wěn)定度有著至關(guān)重要的作用。TLV5618的B通道輸出電壓用于設(shè)定輸出電壓，該電壓送到IC9A的同相輸入端，反相輸入端輸入通過(guò)R8、R9和R10組成的1/5分壓電路分壓后的輸出電壓，兩者進(jìn)行比較輸出誤差電壓用以控制調(diào)整管進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。對(duì)輸出電壓和電流的測(cè)量為了能和輸出DA轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)，所以使用了一片12位4通道的AD轉(zhuǎn)換器ADS7841E，一通道用于輸出電壓的測(cè)量，二通道用于輸出電流的測(cè)量。ADS7841E需要一片4.096V的電壓基準(zhǔn)，所以使用REF198E（IC7）為其提供，REF198E和REF191E是同系列芯片，就不多說(shuō)了。輸出電壓經(jīng)過(guò)1/5分壓后一路送入電壓誤差放大器IC9A，而另一路送到了ADS7841E（IC8）的第2腳，即ADS7841E的第一模擬輸入單通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，ADS7841E的輸入范圍是0~4095V，對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)為0~4095，測(cè)試轉(zhuǎn)換的電壓分辨率為1mV，但是輸入電壓是經(jīng)過(guò)1/5分壓的，所以轉(zhuǎn)換后的數(shù)值再乘以5才能得到輸出電壓值，所以電壓測(cè)量的最小分辨率為5mV。
為了提高輸出電流取樣的精度，所以輸出電流取樣使用了一只DALE產(chǎn)的0.04Ω3W 1%精度的低阻值電阻R5，流過(guò)1A的電流可以產(chǎn)生40mV的壓降，然后使用儀表放大器AD620（IC10）對(duì)R5兩端的壓降進(jìn)行25倍放大，可以得到1V/1A的電流取樣關(guān)系，0~3A的輸出電流對(duì)應(yīng)0~3V的取樣輸出電壓，可以同時(shí)滿(mǎn)足DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器的要求。電流取樣所得到的電壓一路送到IC9B進(jìn)行誤差放大，另一路送到AD轉(zhuǎn)換器的第二輸入通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，測(cè)量輸出電流。因?yàn)锳DS7841E的輸入范圍是0~4095V，對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)為0~4095，所以電流測(cè)量的最小分辨率為1mA。 AD620的放大倍數(shù)由R6和R7的并聯(lián)值決定，計(jì)算公式為Rg=49.4kΩ/（G-1），其中G為放大倍數(shù)，帶入G=25可得，Rg=2.058kΩ，因?yàn)?.058kΩ不是標(biāo)準(zhǔn)阻值，故而使用多圈電位器調(diào)整得到，為了提高電路的可靠性，所以使用3kΩ的固定電阻和10kΩ的電位器并聯(lián)使用，即使電位器失效，也不致使電路參數(shù)發(fā)生巨大變化而損壞。TLV5618的A通道的輸出電壓送到IC9B的同相輸入端，IC9B的反相輸入端輸入電流取樣的電壓，由IC9B進(jìn)行誤差放大輸出控制調(diào)整管。因?yàn)橛蠽D7和VD8的存在，當(dāng)輸出電流小于限制電流時(shí)IC9B的同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓，此時(shí)IC9B輸出達(dá)到飽和，IC9B的輸出電壓高于IC9A的輸出電壓，所以IC9B的輸出電壓被VD8隔離，此時(shí)由IC9A控制調(diào)整管，電路工作在分壓狀態(tài)。當(dāng)輸出電流超過(guò)最高輸出電流時(shí)IC9B反相輸入端的電壓高于同相輸入端的電壓，此時(shí)IC9B的輸出電壓低于IC9A，于是接管調(diào)整管以實(shí)現(xiàn)輸出電流的恒流，電路工作在恒流狀態(tài)。因?yàn)殡娫摧敵鲭妷旱淖钚≈凳?V，所以IC9和IC10必須工作在雙電源下，而IC9和IC10對(duì)負(fù)電源電流的需求很小（低于10m A），所以使用一片有100mA電流輸出能力的電荷泵芯片MAX660（IC3）將+5V電壓鏡像成-5V為IC9和IC10提供負(fù)電壓，L1和C8組成LC濾波器以濾除紋波，使產(chǎn)生-5V電壓更純凈。
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