直流稳压电源设计原理和思路

电源对单片机系统来说是比较重要的一部分，电源电压的稳定性与整个系统运行的稳定有密切关系，因此设计稳定的电源是必不可少的。
直流稳压电源电路原理
直流稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四部分组桑缤?所示。变压器把220V交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

　　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（0～24 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路的设计，其要求是输出电压从0 V开始连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应能够适应所带负载的启动性能。

1.电路的设计

　　符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：

　　（1）晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图1所示，该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值（稳压值）。

　　单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

　　（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，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调。

　　（3）用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控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，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

　　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。

　　正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317（负压用LM337）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。

　　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。

2.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R3，和电容器C组成软启动电路。电阻R4和二极管D组成电压补偿电路。电容C2为输出滤波电容。

　　（1）三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317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U32为一稳定的基准电压（1.25 V），故有：

　　其中，R1为固定电阻，故调节R2可以调节输出电压UO，并且UO的最小值为1.25 V。

(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LM317的1.25 V最小输出电压。电压补偿电路由电阻R4和二极管D组成。

　式中，U3为LM317的3脚电压；UO为输出电压；UD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。

　　（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UO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UI接入时，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U2（LM317的2脚电位）和U3都很低，故UO很小。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R2的改变，因此R2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，要准确地实现0～24 V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R2是比较困难的。电路如图6所示。

　　（5）电路主要测试数据。接上电源变压器和整流滤波电路以后对电路进行测试的结果为：电路在负载为1 A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％（负载电流1 A）情况下输出电压如表3所示。

3.结 语

　　该稳压电路应用三端集成稳压电器，并加入补偿电压的方法解决LM317系列输出电压不能从0 V开始起调的问题。软启动电路的引入适应负载的启动特性。电路的结构简单、功能完善、可靠性高。