眾所周知，小功率線性穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)測試中廣泛應用的電子設備，但目前小功率電源多為固定電壓輸出或電壓可調，卻無直觀數(shù)字顯示，操作使用不便。因此針對電源電壓的連續(xù)可調與數(shù)字顯示功能的需求，本文設計了一種基于LM317的可調數(shù)顯小功率穩(wěn)壓電源，完成了穩(wěn)壓電源的設計和調試，實現(xiàn)1.25～15V的輸出電壓連續(xù)可調，輸出電流達到1.25A，電壓調整精度達到0.25級，具有輸出精度高，易于調整和顯示直觀等特點。
1.引言
小輸出功率直流電源是使用、檢測和檢修電子產品必需的電子設備，確保在負荷轉變或電力網起伏時為大功率電器提供平穩(wěn)的工作電壓輸出和充足的負荷電流量驅動器能力。目前常見的小功率穩(wěn)壓電源一般為固定電壓輸出或雖電壓可調但沒有直觀的數(shù)字顯示，給使用者帶來不便。因此采用低成本穩(wěn)壓芯片及數(shù)顯模塊設計和制作小型化輸出可調且具備數(shù)顯功能的小功率直流穩(wěn)壓電源，對電子系統(tǒng)調試及實驗室測試具有普遍的應用意義和使用價值。
小功率線性直流穩(wěn)壓電源包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等單元，設計中為提高輸出電流往往采用擴流電路。目前直流穩(wěn)壓電源設計制作技術已較為成熟，電源設計主要考慮小型化、高精度、可調整及數(shù)字顯示等實際應用需求。文獻[4]設計了一種以MSP430F413單片機為核心的智能化開關式直流穩(wěn)壓電源，實現(xiàn)高分辨率了2～15V輸出電壓可調，輸出電流大于1A，用字段式LCD顯示輸出電壓和設定電壓值，電源效率達到88%以上。文獻[5]設計了以微控制器為核心的數(shù)字式可調直流電壓源，實現(xiàn)3～15V的電壓輸出，并且利用按鍵步進調節(jié)電壓。
文獻[6]設計了一種應用三端穩(wěn)壓集成電路LM317的電路設計方法，利用LM317和電壓補償電路以及軟啟動電路較好地解決了輸出電壓從0V起調和輸出軟啟動的問題。
本文設計了一種基于LM317和ADC的輸出可調小功率直流穩(wěn)壓電源，可實現(xiàn)1.25～15V的穩(wěn)壓輸出及調整，最大輸出電流可達到1.25A，具備數(shù)字顯示功能，可直觀顯示電源實時輸出電壓參數(shù);電源穩(wěn)壓系數(shù)小于0.01，顯示精度達到0.25級標準。
2.可調數(shù)顯直流電源原理
小功率穩(wěn)壓電源實現(xiàn)將220V交流電壓變?yōu)榉€(wěn)壓直流輸出，為負載提供穩(wěn)定電壓與足夠的負載電流，且輸出電壓可連續(xù)調整，具有輸出電壓數(shù)字直觀顯示。該穩(wěn)壓電源電路由電源變壓器、整流電路、濾波電路、LM317穩(wěn)壓調整電路、ADC電壓檢測、顯示電路等模塊組成，其系統(tǒng)構成如圖1所示。
圖1 數(shù)字顯示可調穩(wěn)壓電源原理框圖
直流穩(wěn)壓電源各部分單元電路中，電源變壓器將輸入的220V，50Hz的交流電經電源隔離變壓器降壓為合適的交流電壓，多路電源輸出可考慮采用雙繞組過多繞組輸出變壓器，電源變壓器功率已直流電源設計輸出功率為參考。
整流電路采用橋式整流模塊過整流管構成全波整流電路，將變壓后交流電整流為含有脈動成分的直流電。濾波電路中采用倒LC濾波濾除脈動交流分量，消除紋波輸出平滑的直流電壓。
穩(wěn)壓及調整電路采用三端集成穩(wěn)壓芯片LM317進行濾波后的穩(wěn)壓，當負載變化或電源電壓波動時能輸出穩(wěn)定的直流電壓。并利用改變LM317的調整端的可變電阻來實現(xiàn)輸出電源電壓的調整，達到預定輸出的電源電壓。
直流電源輸出電壓檢測采用微控制器片內ADC進行輸出電壓的實時檢測，將輸出電源電壓轉換為數(shù)字量并由LCD顯示電路實時顯示。顯示電路采用字符型液晶模塊顯示，將ADC轉換的數(shù)字量經控制器處理后驅動液晶實現(xiàn)電源輸出電壓值的數(shù)字化顯示。
3.各單元電路設計及參數(shù)計算
3.1電源變壓器選取
直流電壓最大輸出要求15V，考慮到三端集成穩(wěn)壓器工作大約有1～2V電壓降，所以電容濾波后電壓Uc約為17V，則變壓器二次副邊輸出級電壓有效值U2=Uc/1.2=17V/1.2=14.2V，因為是小功率電源，選用15V/20W小型電源變壓器。
3.2整流濾波電路
整流橋的選取主要依據兩個參數(shù)，整流二極管的耐壓VRM和通過整流二極管電流的平均值ID。
選用IN4007整流二極管構成全橋整流電路，其正向平均電流1A及耐壓值1000V參數(shù)滿足整流要求、濾波電容經驗值為470～1000μF，為抑制紋波選用標稱值1000μF耐壓25V的電解電容。
3.3輸出可調穩(wěn)壓電路
本設計采用LM317可調試集成三端穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓芯片并實現(xiàn)輸出電壓的調整功能，LM317具有輸出電壓連續(xù)可調，調節(jié)范圍較寬的特點，其線性調整率以及負載調整率和其他穩(wěn)壓器相比具有明顯的優(yōu)勢。LM317內部有過流保護電路、安全區(qū)保護電路等，輸出電壓為1.25～37V，負載電流可達1.5A。采用LM317輸出電壓調整方便，只需要兩個外接電阻便可以設置輸出電壓。為了改善瞬態(tài)響應，可以在輸出并接電容。LM317電路典型參數(shù)如下：輸出電流為1.5A、0.01%的線性調整率、0.1%的負載調整率、紋波抑制比為80dB，具有過流保護、過熱保護、輸出短路保護、調整管安全區(qū)保護等功能。
基于LM317的輸出可調穩(wěn)壓電路設計如圖2所示。
圖2 LM317調壓電路
電路中R1、Rp是決定輸出電壓的關鍵元件，由二者的比例關系和內部基準電壓共同決定電源電壓輸出，如式(3)所示。R1和Rp的取值從兩方面考慮：從式(3)輸出電壓計算公式看，Rp/R1比例關系決定輸出，因此Rp采用可變電阻以便于調節(jié);從輸出最小電流考慮，LM317正常工作時最小工作電流一般為1.5mA，空載時R1是最小電流泄放的唯一通路。如果R1值選取過大，將使空載和有載時輸出電壓有較大差別，這是不允許的。從上述兩方面考慮，R1及Rp計算如下：
取U0=15V，得Rp/R1=11，又要求R1電流達到1.5mA才可以正常工作，求得R1應小于830Ω的阻值限制范圍，故取R1=120Ω，則相應的Rp阻值應為11×0.12kΩ=1.32kΩ，可保證電源輸出達到15V，Rp留余地采用標稱值2.2kΩ電位器，以便于調節(jié)輸出電壓。
D1、D2是保護LM317的二極管，當輸入端不慎短路時D1導通，C4經D1放電，輸出端短路時，D2導通，C2經D2放電，保護LM317不被燒毀。D1、D2都選用1N4001。
C1、C3可以起到濾除高次諧波目的、C4用于改善負載的瞬態(tài)響應。C1、C3取0.1μF，C4取470μF。
3.4ADC電壓檢測和顯示電路
電源電壓檢測采用低成本STC微控制器STC12C5410AD，利用其片內10bit ADC完成電壓檢測A/D轉換，并由該STC微控制器直接控制字符型液晶顯示模塊LCD1602顯示電源輸出電壓，電壓檢測及顯示電路如圖3所示。該方案可靈活擴展數(shù)顯電源的監(jiān)測功能，加上電流檢測電路后還直接監(jiān)測輸出電流數(shù)值。
輸出電壓檢測電路核心芯片STC12C5410AD微控制器內部集中8路10bit的ADC，可檢測多路直流電壓，C8、C9、JT1構成晶振電路，C13與R13構成上電復位電路，與STC12C5410AD共同構成單片機最小系統(tǒng)。考慮到LM317輸出的可調整性，因此該最小系統(tǒng)供電單獨采用7805構成的輔助電源供電，同時也為液晶模塊提供5V的供電電壓。
電壓檢測電路的待測電壓來自LM317電路輸出的電源電壓VIN，其電壓范圍為1.25～15V，具體電壓值由Rp電位器調整確定。電源電壓VIN經衰減及放大調理后電路后送入STC12C5410AD的ADC引腳P1.1/AD1。考慮到待測電源電壓最大為15V，已超過單片機ADC的測試范圍(0～5V)，故VIN首先經分壓電阻R1和R2進行1/6分壓，再接入TL084構成的同相比例放大器中進行2倍放大調理，保證在電源輸出最大為15V時，送入單片機ADC通道P1.1的電壓不超過5V。待測電源電壓VIN與單片機AD1口輸入電壓VAD1之間滿足線性關系。
顯示單元采用LCD1602字符液晶模塊，由單片機控制其實現(xiàn)電源電壓的數(shù)字顯示。液晶使能端EN、讀寫控制R/W和數(shù)據/地址控制端R/S，分別由單片機的P3.0、P3.7和P3.5控制，發(fā)送給LCD的8位顯示數(shù)據D0～D7及指令地址碼由P2口控制，液晶對比度通過可調電位器輸出的電壓Vo來進行調整。檢測電源輸出電壓的數(shù)字量由單片機轉換成實際電壓值的ASCII碼送LCD顯示，對應關系如式(5)所示。
圖3 電壓檢測及顯示電路
4.電源調試及測試
4.1電源調試問題
LM317輸出1.25～15V電路調試較為簡單，該電源裝置電路板采用雙面印制板PCB設計，裝配焊接電源變壓器、整流濾波電路、LM317調壓電路及電壓檢測微控制器和LCD模塊等元器件即可，可調數(shù)顯穩(wěn)壓電源如圖4所示。由于LM317的電壓輸出范圍是1.25～37V，電壓計算公式中Iadj很小(50μA)可以忽略不計，電位器的阻值選2.2kΩ可以滿足輸出電壓1.25～15V的調節(jié)范圍。考慮到調整的方便性，可采用WXD3-13-2W多圈繞線電位器作為精密調整旋鈕。為改善輸出電壓的ADC檢測精度，可在檢測程序中加入參數(shù)檢測修正系數(shù)，通過實測修正的方式進一步提高檢測精度。
調試中在電源輸出低電壓大電流情況下會由于LM317電路承載的壓差及電流很大，因而會產生較大的功耗，故電源中LM317芯片應選用TO-220封裝且加裝小型散熱片起到散熱保護作用。
圖4 可調數(shù)顯穩(wěn)壓電源
LM317可調三端穩(wěn)壓器，最小輸出電壓在1.25V，若要求穩(wěn)壓電源從0V起調，則穩(wěn)壓電路需加入一個負電壓偏置，電源輸入就需要正、負與地三個輸入端，電路相對復雜，一般穩(wěn)壓電源要求較少要求從0V起調，所以本電源直接從1.25V起調。
4.2測試及分析
直流穩(wěn)壓針對電源輸出電壓及輸出電流特性進行測試，選取典型負載RL=100Ω和RL=10Ω，調整電源輸出并測試輸出電壓及負載電流，測試結果如表1所示。在兩種典型負載條件下，電源指示輸出電壓相對誤差可優(yōu)于0.254%，準確度基本達到0.25級。電源帶載特性較好，輸出電壓并未隨負載電流加大而產生較大波動。
在輸出電壓為額定值15V下的負載特性如表2所示。在電源輕載輸出且電壓達到額定值15V條件下，逐步加大負載電流，測試電源帶載特性即電源輸出電壓的變化特性，結果表明，當負載電流由0.1A變化到1.2A過程中，15V定壓輸出的電壓波動僅為0.12V，電源具有較好的帶載能力。
結束語
本文設計了一種基于LM317的具有數(shù)字顯示和輸出可調功能的小功率直流穩(wěn)壓電源。該電源基于低成本單片機STC12C5410AD進行電壓采樣檢測和驅動液晶顯示的方案，實現(xiàn)了對電源電壓的實時檢測與輸出顯示，測試結果表明，該電源實現(xiàn)了1.25～15V的連續(xù)可調輸出，具有工作穩(wěn)定、輸出精度高、顯示直觀等特點，輸出檢測精度達到0.25級;以靈活的電壓檢測及LCD顯示方式實現(xiàn)了電源輸出的監(jiān)視功能，能夠及時準確地反映電源輸出的工作狀態(tài)，本設計把穩(wěn)壓電源可調性和數(shù)字顯示結合一體，為電子測試提供了便捷的電源解決方案。
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