0-24V可调直流稳压电源电路的设计方法

维普资讯 http://www.cqvip.com 壁垒　等：ｏ～２４　Ｖ可调直流稳压电源电路的设计方法　０～２４　Ｖ可调直流稳压电源电路的设计方法　唐金元，王翠珍　（海军航空工程学院青岛分院　山东青岛　２６６０４１）　摘　要：简要介绍Ｏ～２４　Ｖ可调直流稳压电源电路的３种设计方案，并较详细地阐述了一种应用三端稳压集成电路　ＬＭ３１７的电路设计方法，该电路利用ＬＭ３１７和电压补偿电路以及软启动电路较好地解决了输出电压从０　Ｖ起调和输出软　启动的问题。　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—０１２一Ｏ３　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　０－－２４　Ｖ　Ｓｔａｂｌｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ＴＡＮＧ　Ｊｉｎｙｕａｎ，ＷＡＮＧ　Ｃｕｉｚｈｅｎ　（Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｎａｖａｌ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ。２６６０４１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｏ～２４　Ｖ　ｄｉｒｅｃｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｗｈｏｓｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｔａｂｌｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈ　ＬＭ３　１　７　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｎ　ｓｏｆｔｌｙ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｓ　ａｄｊ　ｕｓｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｉｓ　ｓｔａｒｔｅｄ　ｓｏｆｔｌｙ　ａｒｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｓｏｌｖｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ＝ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ａｄｊ　ｕｓｔａｂｌｅ；ｄｉｒｅｃｔ　ｐｏｗｅｒ—ｓｕｐｐｌｙ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｏｆｔ　ｓｗｉｔｃｈ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ＬＭ３　１　７　１　引　言　电压的变化正好相反，从而保证输出电压　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　电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能　基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从０　Ｖ　对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影　开始调节。　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（Ｏ～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　图１　串联式稳压电源电路　路的设计，其要求是输出电压从０　Ｖ开始连续可调；所选　单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助　器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电　电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠　压应能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简　性难以保证。　单可靠，能够输出足够大的电流。　（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　２电路的设计　电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压　符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较　从０　Ｖ起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，　简单的有３种：　需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电　（１）晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图１　路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。　所示，该电路中，输出电压　经取样电路取样后得到取样　（３）用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采　电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误　用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片ＬＭ３１７，　差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发　ＬＭ３３７作为第二级调压元件，通过ＡＴ８９ＣＳ５１单片机控　生变化，该变化与由于供电电压Ｕ　发生变化引起的输出　制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的外围　参数，并加上软启动电路，获得０～２４　Ｖ，０．１　Ｖ步长，驱动　收稿日期：２００７一Ｏ７—２３　能力可达１　Ａ，同时可以显示电源电压值和输出电流值的　１２　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年第４期总第２６７　大小。　图２　电路结构框图　其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控　制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉　电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件　部分原理图如图３所示。　一　．］整Ｆ－［『Ｅ端压差控制　：革一滤ｔ－－Ｉ取样电阻ｒ＿ｒ．＿１ＬＭ３１　７　流Ｉ－Ｊ负端压苊控制Ｆ　波Ｌ—　—Ｌ－－４Ｉ．『　；　软启动电路　图３　用单片机制作的直流稳压可调电源　正、负端压差控制电路的作用是减少Ｉ　Ｍ３１７和　ＬＭ３３７输入端和输出端的压差以降低Ｉ　Ｍ３１７和Ｉ　Ｍ３３７　的功耗。稳压电路由三端稳压芯片Ｉ　Ｍ３１７（负压用　Ｉ　Ｍ３３７）及外围器件组成，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Ｒ。，和　电容器ｃ组成软启动电路。电阻Ｒ和二极管Ｄ组成电压　补偿电路。电容　为输出滤波电容。　（１）三端集成稳压器Ｉ　Ｍ３１７及其调压原理。图４中　ＩＣ采用了Ｉ　Ｍ３１７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　载保护电路，具有稳压精度高、工作可靠等特点。其输出　电压的调节原理如图５所示。由于ＬＭ３１７的２，３脚之间　的电压【，。　为一稳定的基准电压（１．２５　Ｖ），故有：　Ｕ。一Ｕ３２（１＋　）ｕ１．２５（１＋　）　其中，Ｒ　为固定电阻，故调节Ｒ　可以调节输出电压【，　并　且【，。的最小值为１．２５　Ｖ。　图４　输出电压可调的直流稳压电源电路原理图　（２）电压补偿电路的设计。因要求输出电压从０　Ｖ　起调，ＬＭ３１７集成稳压器不能直接满足要求，需设计一个　电压补偿电路，抵消Ｉ　Ｍ３１７的１．２５　Ｖ最小输出电压。电　压补偿电路由电阻Ｒ　和二极管Ｄ组成。　Ｕ（）＝＝Ｕ３一【，Ｄ　式中，【，。为ＬＭ３１７的３脚电压；Ｕ。为输出电压；Ｕ。为二　极管Ｄ的正向压降，即为补偿电压，其值略大于ＬＭ３１７的　基准电压（１．２５　Ｖ）。这里用３只串联的锗材料整流二极　管的导通压降来实现。当调节Ｒ　减少，使【，。达到与【，。　相等时，输出电压即为０　Ｖ。之后，当调节Ｒ　逐渐增大　时，【，。即由０　Ｖ开始增大。由于负载电流流过Ｄ，故Ｄ的　最大工作电流应能适应负载电流的要求。图５中Ｒ用于　给Ｄ提供工作电流。　图５　输出电压调节原理　（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【，。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【，　接人时，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Ｕ　（ＬＭ３１７的２脚电位）　和　都很低，故【，　很小，随着ｃ的充电，Ｔ的基极电位下　降，其集电极电位（即Ｕ　）升高，使【，。升高（因【，。　为一稳　定电压），所以【，。也升高。当ｃ充满电时，Ｔ被截止，启动　电路失去作用，【，。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Ｒ　的改变，因此Ｒ　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　】３　维普资讯 http://www.cqvip.com 匿全　等：０～２４　Ｖ可调直流稳压电源电路的设计方法　现０～２４　Ｖ宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必　表２电路负载特性　须反复调整，只依赖Ｒ。是比较困难的，如果将电位器Ｒ　用　个电位器Ｒ。　和电阻Ｒ　串联实现，通过一个开关实现　电阻Ｒ　的改变从而改变输出电压的范围，并在所选择的　负载电流／Ａ　ｏ．７　ｏ．８　ｏ．９　ｌ＿ｏ　输出电压范围内通过改变电位器Ｒ。　的阻值得到所需要　输出电压／Ｖ　２４．００　２４．Ｏ１　２４．ｏｏ　２４．ｏｏ　的准确的直流电压输出。电路如图６所示。　表３额定负载（１　Ａ）下电网波动士１０％时输出电压变化　　Ｉ电网电压／Ｖ　输出电压／Ｖ　２２０　２４．Ｏ０　　ｌ　ＩＲｌ　１９８　２３．５８　１～３Ｖ　２４２　２４．４５　图６　电压调整部分电路图　的方法解决ＬＭ３１７系列输出电压不能从０　Ｖ开始起调的　（５）电路主要测试数据。接上电源变压器和整流滤　问题。软启动电路的引入适应负载的启动特性。电路的　波电路以后对电路进行测试的结果为：电路在负载为１　Ａ　结构简单、功能完善、可靠性高。　时输出电压调整范围如表１所示；在输出电压为额定值　（２４　Ｖ）下的负载特性如表２所示。电网电压波动±１０　参考文献　（负载电流１　Ａ）情况下输出电压如表３所示。　表１输出电压调节范围　［１］Ｍａｒｔｙ　Ｂｒｏｗｎ．电源设计指南［Ｍ］．沈德鸿，沈旭，译．北京：　高等教育出版社，２００５．　［２］杨成才．软开关电源技术及电路设计［－Ｍ－］．北京：电子工业　出版社，２００４．　［３］沙占有，王彦明，孟志勇．单片开关电源最新应用技术［－Ｍ－］．　４结　语　北京：机械工业出版社，２００３．　［４］曲学基，王增益，曲敬铠．稳定电源电路设计［－Ｍ－］．北京：电　该稳压电路应用三端集成稳压电器，并加入补偿电压　子工业出版社，２００３．　作者简介　唐金元　男，１９６５年出生，工学硕士，教授。主要从事航空通信与导航领域的教学与科研工作，已发表论文６Ｏ余篇。　王翠珍女，１９６８年出生，副教授。主要从事电子技术教学、实验和测试工作，在电路设计、电子测量技术等方面有　丰富的经验，发表论文２Ｏ余篇。　（上接第１１页）　电容降压，半波整流，电容滤波，稳压二极管稳压常见的简　单稳压电源。但注意的是电路接地端与２２０　Ｖ交流相连。　参考文献　调整时要特别注意安全。　－１１］吴治隆．电路分析基础Ｉ－Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，２００４．　［２］童诗白，华成英．模拟电路基础［－Ｍ－］．北京：高等教育出版社，　３结　语　２００１．　根据设计制作出的音控装置达到任意控制４路输出　［３］阎石．数字电子技术基础［－Ｍ－］．北京：高等教育出版社，１９９８．　的目的。功能为：间断掌声（间断时间大于０．８　ｓ）可使前　［＇４－１电子工业部半导体专业情报网．中国半导体器件数据手册　几路或４路都同时通电；连续掌声（间断时间小于０．８　ｓ）　第三册［ｚ］．北京，１９８３．　可选择任意路通电；连续掌声加间断掌声可使后几路或第　［５］宋泽清．新型声光控开关的制作［Ｊ］．无线电，２００３（９）：６２　６３．　４路都同时通电；第５掌声使ＣＤ４０２２复位，但通电的路数　［６］苏成富．自制家电红外遥控交流开关Ｉ－ｊ］．电子世界，２０００　仍保持通电；ＣＤ４０２２复位后，也可以采用前述的间断掌声　（１２）：５０—５１．　或连续掌声切断欲关断的路数。如果要简单地切断任意　ｒ－７－］Ｂｒｕｃｅ　Ｃａｒｌｓｏｎ　Ａ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　路输出，可将双Ｄ触发器的异步复位端ＲＤ由接地改为　ＭｃＧｒａｗＨｉｌｌ，１９６８．　接８进制计数器ＣＤ４０２２的ｙ０输出端。当ｙ０为高电平，　［８］付翔，龚晓锋，周林．基于全国短波网络监测系统的语音功　４路Ｄ触发器都被复位，４路输出都被切断。　能的实现［Ｊ］．现代电子技术，２００５，２８（１９）：３６—３８．　１４