步进式直流稳压电源的设计

第３９卷　第１０期专辑２０１２年１０月计算机科学Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＳｃｉｅｎｃｅＶｏｌ．３９Ｎｏ．１０ＳｕｐｐＯｃｔ　２０１２吕彩霞（１９７８－），女，助教，主要研究方向为微电子与固体电子学；李哲英（１９５３－），男，硕士生导师。

步进式直流稳压电源的设计吕彩霞　李哲英（北京联合大学信息学院　北京１００１０１）　摘　要　步进式直流稳压电源是电子系统的重要组成部分，也是一个重要的电子产品，在生产和生活中有着广泛的用途。

步进式直流稳压电源系统的核心是智能控制，它是电子信息技术应用的重要研究内容。

本设计基于多ＣＰＵ实验系统，提供一个完整的步式进直流稳压电源设计的综合训练方案。

它以电压步进的精密控制为目标，可以作为相关应用领域的重要控制模型，只要稍作改进，就可以成为满足工程实际要求的技术。

关键词　步进式直流稳压电源，单片机，多ＣＰＵＤｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｔｅｐ　ＤＣ　Ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　Ｐｏｗｅｒ　ＳｕｐｐｌｙＬＶ　Ｃａｉ－ｘｉａ　ＬＩ　Ｚｈｅ－ｙｉｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｓｔｅｐ　ＤＣ　ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅ－ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ｗｉｄｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｄｕｓｔｙ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄａｉｌｙ　ｌｉｆｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ＤＣ　ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｓｕｂｊｅｃｔ　ｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａ－ｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｕｌｔｉ　ＣＰＵ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｂｏｕｔ　ｓｔｅｐＤＣ　ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ａｂｏｕｔｒｅｌａｔｅｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｒｅａｓ．Ｆｅｗ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｃａｎ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｓｔｅｐ　ＤＣ　ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｍｕｌｔｉ　ＣＰＵ　ｓｙｓｔｅｍ　１　引言本设计以单片机为核心，一边监测键盘，一边显示当前输出电压值，并向模拟开关输出当前设定值。

当键盘中控制输出电压的增减键被按下时，单片机就会对设定值进行相应的增减操作，并将修改之后的设定值送给模拟开关，更新输出电压为当前设定值。

利用ＬＭ３１７完成输出稳定电压的任务，以实现输出电压在０～５Ｖ、调节单位为０．１Ｖ、输出电流为１Ａ以上的数控直流稳压电源。

１）设计任务：电压输出为０～５Ｖ之间，可直接设置输出电压，或步进增加／减少，速度波动＜０．１ｍＶ，步进间隔为１００ｍＶ，输出误差＜３％，控制器功率损耗＜２００ｍＷ，具有电压、电流显示功能，时间显示功能及输出短路保护和报警功能，使用５Ｖ直流电源，系统所需功率和功率损耗越小越好，电压值调节时间越短越好，符合国家有关标准要求，具有通信功能，直流稳压电源最大输出功率大于２Ｗ。

２）设计方案电路采用５１系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化而间接地改变输出电压的大小。

为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ＡＤＣ０８０９进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。

采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现。

２　系统硬件结构设计１）步进式直流稳压电源模型设计一个反馈控制系统，根据设置的单片机ＤＡ输出或其他输入信号参数控制电压源的数值。

控制系统的模型有以下几种：基本线性系统模型、ＰＩＤ模型、自适应模型、模糊控制模型。

本设计采用的是基本线性系统模型，如图１所示。

·６４·图１　线性系统模型２）系统硬件结构设计本系统采用模块电路方式实现，其中包括如下模块电路：控制核心模块（单片机）、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换电路、显示电路模块、直流稳压电源输出驱动模块、电源模块、通信模块（ＲＳ２３２、ＵＳＢ、网口等）。

系统结构基本框图如图２所示。

图２　系统结构基本框图系统结构包括：①模拟信号处理电路技术：三端可调式集成稳压模块选择输出电压可调的三端集成稳压器，ＬＭ３１７这种器件保持了只有三端子的简单电路结构，同时还实现了输出电压连续可调，是一种较灵活的稳压器件。

ＬＭ３１７是正电源稳压器，它们没有公共接地端，采用的是悬浮式电路结构，只有输入输出和调整三个端子。

ＬＭ３１７的最大输入、输出电压差可达４０Ｖ，输出电压为１．２Ｖ～３５Ｖ，连续可调，输出电流最大为２Ａ。

基准电压为１．２５Ｖ，最小工作电流为５ｍＡ。

ＬＭ３１７稳压器内部具有过流保护、输出短路保护、调整管安全工作区保护及过热保护等电路，因此工作安全可靠。

三端可调式集成稳压电路如图３所示。

图３　三端可调式集成稳压电路②直流电源电路模块输入：交流２２０Ｖ，５０Ｈｚ，输出：＋１２Ｖ，－５Ｖ，稳压系数为０．２％，负载调整度小于１％，纹波电压小于２ｍＶ，电源的效率大于４０％，因为输出电压是固定的，所以选择ＬＭ７８１２和ＬＭ７９０５两个三端固定输出的集成稳压器件作为直流稳压电路，其纹波系数和稳压系数都可以满足设计要求。

考虑输出功率的要求，ＬＭ７８１２和ＬＭ７９０５器件应分别有１０Ｗ以上的散热片安装在稳压电源的金属机壳上。

考虑可能的负载波动及其引起的高频噪声，在１２Ｖ直流输出端并联１０μＦ电解电容和０．１μＦ普通电容。

为避免引起电源振荡，－５Ｖ电源的输出端不滤波电容。

３）整流滤波电路设计采用桥式整流电容滤波电路，由于ＬＭ７８１２的电流输出能力为１．５Ｖ，因此要求整流电路的工作电流大于１．５Ｖ，这里选择２Ａ／５０Ｖ的整流电桥器件，或选择四个１Ｎ４７１９整流二极管组成整流电桥。

根据计算，由于稳压电路输入电压留有余量，可选２５００μＦ／２５Ｖ的电解电容。

４）降压变压器选择选择双输出的降压变压器，每个输出端的输出电流为２Ａ，根据整流电路的计算，交流市电为２２０－２２＝１９８Ｖ时，变压器各输出电压峰值为１７Ｖ，折合成有效值为１２Ｖ，所以变压器的变化是ｎ＝１９８／１２＝１７．１，实际上选ｎ＝１７。

５）效率核算当输入电压为２２０Ｖ时，输入功率Ｐ＝２２０＊０．２４＝５８Ｗ；直流输出功率Ｐ＝２＊１２＊１＝２４Ｗ；效率η＝２４／５８＝０．４１；可见，所设计的电路效率能够满足设计要求。

６）保护电路设计直流部分由于稳压器内部已经设有保护电路，同时题目也没有提出特殊的设计要求，因此不考虑附加保护电路。

交流输入部分应当在变压器和市电电源线之间按惯例设计一个熔断器（保险管）Ｆ，考虑到输入电流为０．３Ａ和变压器空载输出引起的电流冲击，可选０．５Ａ或１Ａ的保险管。

同时为防止瞬时电压损坏整流电路，在变压器的输出端并联ＴＶＳ器件（过电压保护器件）。

ＴＶＳ器件可以用压敏电阻、快恢复二极管或齐纳二极管，ＴＶＳ器件的功率按变压器次级输出功率的２倍以上计算。

３　数模混合电路技术ＡＤ／ＤＡ电路技术电源输出电压范围是０～５Ｖ，步长为０．１Ｖ，共 （下转第５６页）·７４·读写可达到８０－１００ＭＢ／ｓ，性能满足数据中心的存储性能需求。

后期将进一步扩充存储服务器的空间，以满足学校信息化对数据存储空间的需求。

同时，经过调研，我们也找到了一些专用的ＰＣ服务器，其可以提供高容量的存储空间，例如超微公司的存储服务器即可在４Ｕ（高度１７．７８ｃｍ）的空间内提供２４个５寸硬盘空间，可以提供７２ＴＢ的存储。

利用这样的设备实现与专业存储基本相同的存储密度，可更好地满足数据中心降低空间使用量及管理设备数量的要求。

未来将是一个“大数据”时代，数据中心中将会存储更大量的结构化和非结构化数据，基于分布式文件系统的存储平台将会具有更广阔的前景。

参考文献［１］ｈｔｔｐ：／／ｂａｉｋｅ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｍ／ｖｉｅｗ／７７１５８９．ｈｔｍ［２］ｈｔｔｐ：／／ｓｔａｔｉｃ．ｇｏｏｇｌｅｕｓｅｒｃｏｎｔｅｎｔ．ｃｏｍ／ｅｘｔｅｒｎａｌ＿ｃｏｎｔｅｎｔ／ｕｎｔｒｕｓ－ｔｅｄ＿ｄｌｃｐ／ｌａｂｓ．ｇｏｏｇｌｅ．ｃｏｍ／ｚｈ－ＣＮ／／ｐａｐｅｒｓ／ｇｆｓ－ｓｏｓｐ２００３．ｐｄｆ［３］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｏｏｓｅｆｓ．ｏｒｇ［４］董守斌，赵铁柱．面向搜索引擎的分布式文件系统性能分析［Ｊ］．华南理工大学学报：自然科学版，２０１１（４）：７－１４［５］许春玲，张广泉．分布式文件系统ＨａｄｏｏｐＨＤＦＳ与传统文件系统ＬｉｎｕｘＦＳ的比较与分析［Ｊ］．苏州大学学报：工科版，２０１０（８）：５－９［６］田磊．基于ＭｏｇｉｌｅＦＳ建设廉价的电子档案管理系统［Ｊ］．现代计算机，２００９（１１）：１７０－１７１（上接第４７页）有５０个状态，而８位的Ｄ／Ａ转换只有２５６个状态，能满足要求，利用单片机程控输出数字信号，经过Ｄ／Ａ转换器（ＤＡ０８３２）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电流的变化而输出不同的电压。

单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流／电压转变后，通过Ａ／Ｄ转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。

利用单片机上的ＡＤＣ０８０９作为Ａ／Ｄ转换器，单片机上的电位器提供模拟量输入，编写程序，将模拟量转换为数字信号，在实验板的ＬＣＤ上显示相应的数据。

显示电路如图４所示图４　显示电路４　系统软件设计系统主程序流程如图５所示。

本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。

主程序首先进行系统初始化，等待键盘输入，然后读入预置值，输入相应的电压，经过Ｄ／Ａ转换器（ＤＡ０８３２）输出模拟量，通过稳压电路，利用单片机上的ＡＤＣ０８０９作为Ａ／Ｄ转换器，单片机上的电位器提供模拟量输入，编写程序，将模拟量转换为数字信号，在实验板的ＬＣＤ上显示相应的数据。