電子實(shí)驗(yàn)室常用的耐壓直流電源故障分析

1輸出電壓的保護(hù)圖1顯示了國(guó)內(nèi)控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框架圖。單片機(jī)將輸出電壓及電流值經(jīng)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換,與設(shè)定的輸出電壓比較,產(chǎn)生不同脈寬的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以保持輸出電壓的穩(wěn)定;當(dāng)輸出電流超過保護(hù)設(shè)定值時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)以保護(hù)電源元器件;操作鍵可以對(duì)輸出電壓或保護(hù)電流進(jìn)行設(shè)定并能將常用電壓值及保護(hù)電流值存儲(chǔ)在單片機(jī)中,控制回路的電源由輸入電源經(jīng)小功率變壓器降壓后供給。2電路原理和設(shè)計(jì)分析2.1提高了封裝效率為了獲得較高的效率和較小的體積,設(shè)計(jì)中采用了推挽直流變換器。驅(qū)動(dòng)使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式。PWM方式脈沖周期恒定,通過改變高低脈沖電壓寬度占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。脈寬調(diào)制方式可以使開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間隨著負(fù)載電流的下跌而減少,與普通型串聯(lián)穩(wěn)壓電源相比可以降低開關(guān)損耗,提高效率。雖然開關(guān)電源的工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通型串聯(lián)穩(wěn)壓電源,但仍有很大的功率損失,為了最大限度地提高效率,設(shè)計(jì)中采用了以下措施:(1)開關(guān)管是開關(guān)電源中耗能最大的元件,為減小功耗,設(shè)計(jì)中選擇工作速度高、工作電流大、導(dǎo)通內(nèi)阻小的MOSFET管IRF640B,MOS管加裝散熱片,減少溫升保證開關(guān)管穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間工作。(2)在電路結(jié)構(gòu)上選擇了推挽式功率驅(qū)動(dòng)電路,這樣比全橋式驅(qū)動(dòng)電路減少了一半MOS管的功耗,與半橋式驅(qū)動(dòng)電路相比明顯提高了電路的工作效率。(3)在盡量降低開關(guān)管的電流方面采取了高電壓工作方法,這樣使得開關(guān)管的工作電流較小,能耗大大降低,為提高整機(jī)電路的工作效率提供了基礎(chǔ)。(4)整流器件選用肖特基二極管,不僅開關(guān)損耗少,管壓降造成的功率損耗也大大低于普通整流二極管。2.2高效的ad轉(zhuǎn)換控制器圖2為單片機(jī)控制電路工作原理圖。單片機(jī)采用宏晶公司的STC12C5410AD,最大時(shí)鐘頻率可達(dá)40MHz,運(yùn)算速率是標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的12倍,內(nèi)帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、PWM及10位高速AD轉(zhuǎn)換等功能。端口資源使用主要有:P1.4-P1.7口用于中文液晶顯示器的驅(qū)動(dòng);P1.0口用于輸出電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換,P1.1口用于負(fù)載電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于輸出電壓為0-40V,在P1.0口用電阻進(jìn)行了10∶1的降壓,以保證輸入電壓在5V以下;P3.7口輸出50kHz左右脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)濾波用于KA7500以控制開關(guān)管的脈沖寬度;P3.2-P3.5口安裝4個(gè)輕觸開關(guān)用于電源控制操作。3軟件設(shè)計(jì)3.1寫命令、寫數(shù)據(jù)12232F中文液晶顯示器的操作主要由初始化程序、寫命令程序、寫數(shù)據(jù)程序等組成。初始化程序主要負(fù)責(zé)上電時(shí)的液晶顯示區(qū)清除、功能設(shè)定、地址歸位、開關(guān)顯示、設(shè)定顯示地址等;寫命令程序和寫數(shù)據(jù)程序都需發(fā)3個(gè)字節(jié)給12232F,3個(gè)要發(fā)送的字節(jié)組成如下:(1)第1個(gè)字節(jié):寫命令時(shí)為F8H,寫數(shù)據(jù)時(shí)節(jié)為FAH。(2)第2個(gè)字節(jié):由需寫入的命令(或數(shù)據(jù))字節(jié)的高4位(組成字節(jié)的高4位)及4位0(組成字節(jié)的低4位)組成。(3)第3字節(jié):由需寫入的命令(或數(shù)據(jù))字節(jié)的低4位(組成字節(jié)的高4位)及4位0(組成字節(jié)的低4位)組成。在寫命令或數(shù)據(jù)時(shí),先發(fā)第1個(gè)字節(jié),然后再發(fā)第2,3字節(jié),發(fā)送時(shí)高位先發(fā),在移位時(shí)鐘的作用下逐位移入液晶顯示器。12232F液晶顯示器的讀寫操作時(shí)序如圖3所示。3.2時(shí)間主程序的實(shí)現(xiàn)控制主程序在上電時(shí)先完成對(duì)單片機(jī)及LCD顯示器的初始化操作,然后顯示開機(jī)信息,再從存儲(chǔ)器中調(diào)出上次最后一次的輸出電壓數(shù)據(jù),自動(dòng)完成電壓的輸出及穩(wěn)壓過程,最后進(jìn)入主程序的循環(huán)。主程序的流程如圖4所示。3.2.1過流保護(hù)電流值穩(wěn)壓控制程序的主要功能是實(shí)時(shí)測(cè)量輸出的電壓與電流值,并與設(shè)定輸出電壓及保護(hù)電流值比較,控制輸出電壓的穩(wěn)定及進(jìn)行過流保護(hù)。STC12C5410AD具有8路AD轉(zhuǎn)換口及4路PWM輸出口,可快速完成輸出電壓及電流的數(shù)字化測(cè)量,并通過運(yùn)算比較,改變輸出電壓控制脈寬達(dá)到穩(wěn)壓及過流保護(hù)的目的。以下是穩(wěn)壓控制程序。3.2.2連接功能程序鍵功能程序可進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整、存儲(chǔ)、保護(hù)電流值的設(shè)定等操作。由于鍵數(shù)較少,設(shè)計(jì)中使用了菜單式操作方式,這樣可提高鍵的利用率。4預(yù)存電壓值設(shè)定單片機(jī)數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的主要性能如下:(1)輸出電壓UO可調(diào)范圍:0.0～40.0V,最大輸出電流為2.0A;(2)具有最小0.1V的電壓調(diào)整步距,有4組預(yù)存電壓值可選擇輸出,并可進(jìn)行修改并存儲(chǔ);(3)具有電流過流保護(hù)功能,保護(hù)電流從0～2.5A可設(shè)定,排除過流故障后,電源能自動(dòng)恢復(fù)正常;(4)具有中文顯示LCD,能顯示二行綜合文字或數(shù)據(jù)信息;(5)輸入電壓從195V變到245V時(shí),電壓調(diào)整率≤0.156;(6)負(fù)載電流從0A變到2A時(shí),負(fù)載調(diào)整率≤0.4;(7)輸出直流電壓噪聲紋波電壓峰-峰值≤0.65V,效率η≥90(Uλ=220V,UO=3