數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的硬件電路設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u19301數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的硬件電路設(shè)計(jì)案例概述 1285181.1降壓整流電路的設(shè)計(jì) 152171.2穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) 2152071.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 2270381.4主電路的設(shè)計(jì) 414221.5單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4196361.6過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 7149331.7輔助電源的設(shè)計(jì) 8數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的硬件部分包括，降壓整流、穩(wěn)壓電路、驅(qū)動(dòng)電路、主電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)以及過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。1.1降壓整流電路的設(shè)計(jì)因該數(shù)控直流穩(wěn)壓電源需要接入交流市電，而輸出0v到12v的直流電，所以我們需要降壓和整流電路。我們有兩種方法可得到低壓直流電，分別為方案一：先整流再進(jìn)行降壓。方案二：先降壓再進(jìn)行整流。兩個(gè)方案在理論上均可實(shí)現(xiàn)交流220v到低壓直流電的轉(zhuǎn)換。如果采用方案一先整流再降壓，我們得需要耐壓高的功率器件，因?yàn)闉橹绷鹘祲浩湫瘦^低，且設(shè)計(jì)電路復(fù)雜、不易控制、其直流電壓高，安全系數(shù)也較低。所以我們采用方案二。利用變壓器先將220v交流電降至低壓，在通過(guò)橋式整流將其轉(zhuǎn)化為低壓直流電。如圖1.1所示。圖1.1降壓整流電路1.2穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)由于我們需要為單片機(jī)和液晶顯示來(lái)提供穩(wěn)定的電壓以確保元器件能夠穩(wěn)定的工作。所以本設(shè)計(jì)采用LM2596-ADJ和AMS1117-3.3V因此系列穩(wěn)壓管硬件電路簡(jiǎn)單且穩(wěn)壓效率高。如圖1.2固定輸出穩(wěn)壓電路所示，只需要接少量外圍器件既可實(shí)現(xiàn)高效率穩(wěn)壓。圖1.2固定輸出穩(wěn)壓電路由于采用單片機(jī)作為主控芯片所以也需要為單片機(jī)提供可靠電源，所以我們也采用圖1.3所示穩(wěn)壓電路來(lái)為單片機(jī)提供電源。圖1.3穩(wěn)壓電路-3.3v1.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路的信息經(jīng)過(guò)電壓電流的放大轉(zhuǎn)化成可以控制電力電子器件的信號(hào)。一般控制電路發(fā)出的信息不能直接用于控制電力電子器件，所以需要驅(qū)動(dòng)電路來(lái)將這些信息進(jìn)行放大后，加在主電路的開(kāi)關(guān)器件上。驅(qū)動(dòng)電路是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，為了使開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間近似為0，所以須采用性能較好的驅(qū)動(dòng)電路。采用性能較好的驅(qū)動(dòng)電路有利于減小開(kāi)關(guān)時(shí)間，降低損耗，有利于裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于本設(shè)計(jì)單片機(jī)的GPIO口輸出的電壓不能直接控制MOS管的通斷，所以采用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)將GPIO口的輸出電平拉高進(jìn)而來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷。如圖1.3和1.4所示共同組成了MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。其原理為：當(dāng)TLOUT為高電平時(shí)三極管s8050導(dǎo)通，通過(guò)一個(gè)以TL431為主的穩(wěn)壓電路使得LM358的3引腳為2.5v輸入，電平信號(hào)再經(jīng)過(guò)LM358之后為TLC5615提供參考電壓，TL5615經(jīng)單片機(jī)控制后輸出一個(gè)VOUT電壓信號(hào)，VOUT電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)LM358放大后即可實(shí)現(xiàn)Pmos的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電壓0到12v可調(diào)輸出。圖1.3DAC輸出電路圖1.4放大輸出電路1.4主電路的設(shè)計(jì)主輸出電路是整個(gè)設(shè)計(jì)中最為重要的電路。根據(jù)專業(yè)課所學(xué)過(guò)的電路可畫(huà)出電路圖如圖1.4所示。其工作原理可以簡(jiǎn)單的描述為：利用開(kāi)關(guān)器件不停的開(kāi)通關(guān)斷，使負(fù)載得到矩形波的電壓波形，從而降低了輸出電壓的平均值。負(fù)載電壓的平均值：U式中α為導(dǎo)通時(shí)間占空比，E為主電路的輸入電壓。為了使電壓平滑所以需要添加電容，并且電容也具有濾波的作用。在此電路的基礎(chǔ)上通過(guò)改變導(dǎo)通占空比α的值來(lái)改變輸出電壓。此過(guò)程需要用到單片機(jī)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)采集輸出電壓的值是否達(dá)到設(shè)定要求，若未達(dá)到要求，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)α值，調(diào)節(jié)輸出電壓直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。圖1.4主電路1.5單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)，保證單片機(jī)能夠正常運(yùn)行，且需要的最少的元件所構(gòu)成的系統(tǒng)。最小系統(tǒng)接入電源后，單片機(jī)恢復(fù)起始狀態(tài)，且可以正常下載程序。在最小系統(tǒng)上，可加入相應(yīng)的功能模塊，使其具有更多的功能。圖1.4STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖由于此芯片所需電壓為3.3v，所以采用LDO將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為單片機(jī)供電。如下圖1.5所示為主控芯片的時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路可以說(shuō)是微信計(jì)算機(jī)的心臟，幾乎所有的數(shù)字系統(tǒng)在處理信號(hào)都是按節(jié)拍一步一步地進(jìn)行的，系統(tǒng)各部分也是按照節(jié)拍運(yùn)行的，要使電路的各部分統(tǒng)一節(jié)拍就需要一個(gè)“時(shí)鐘信號(hào)”，產(chǎn)生這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的電路就是時(shí)鐘電路。此最小系統(tǒng)板中有兩個(gè)外部晶振：一個(gè)是HSE為8MHz，常用外部高頻，經(jīng)過(guò)倍頻后可做系統(tǒng)時(shí)鐘，一般STM32F1的主頻為72MHz是通過(guò)8MHz倍頻得來(lái)的。另一個(gè)也是外部晶振但是頻率低，一般用來(lái)計(jì)時(shí)，或當(dāng)單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)使用。圖1.5時(shí)鐘電路如圖1.6為主控芯片的復(fù)位電路。此主控芯片是低電平復(fù)位，當(dāng)SW1被按下時(shí)接入單片機(jī)的引腳電位被拉低，使單片機(jī)恢復(fù)初試狀態(tài)。除本文所述復(fù)位方式，還有看門狗復(fù)位等等。圖中的C2是為了過(guò)濾掉按鍵按下過(guò)程中的電壓毛刺，以免在按下和松開(kāi)過(guò)程中引發(fā)的誤動(dòng)作，致使系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)復(fù)位。另外還需利用軟件延時(shí)來(lái)配合消抖防止誤操作，一般延時(shí)10微秒即可。圖1.6復(fù)位電路STM32系列主控芯片有兩種調(diào)試方式：一種是JTAG接口，其占用I/O資源較多一般不采用。一種為SW-DP，SW-DP為串行調(diào)試方式，只需一根數(shù)據(jù)線和一根時(shí)鐘線，以及GND，和VCC。本芯片采用的為SW-DP如下圖1.7所示為調(diào)試接口電路。程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要下載bin/hex文件，以及在線仿真調(diào)試，可采用SWD或者JTAG的方式。SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠，且只需4引腳，實(shí)際開(kāi)發(fā)中一般都采用SWD方式。其中的時(shí)鐘線CLK是用于Jlink和芯片的時(shí)鐘同步，一般頻率設(shè)置為4MHz，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整頻率。圖1.7調(diào)試接口電路1.6過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象，導(dǎo)致主控芯片或者其他元器件的損壞，為了避免過(guò)電流引起的元器件損壞，所以需設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)電路。其中過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。本設(shè)計(jì)采用軟件硬件相結(jié)合的方式。其原理為當(dāng)用電器發(fā)生短路時(shí)，相當(dāng)于DOUT1的引腳2和1相接，致使三級(jí)管s8050導(dǎo)通此時(shí)單片機(jī)引腳protect腳則會(huì)檢測(cè)到高電平被拉低，單片機(jī)便會(huì)立即做出反應(yīng)使控制mosfet的引腳立即置1關(guān)斷mosfet，停止電壓的輸出，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的作用。圖1.8電流檢測(cè)電路1.7輔助電源的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)輔助電源來(lái)為單片機(jī)和液晶屏幕提供電源。由于本設(shè)計(jì)采用的是stm32最