直流稳压电源及其输出功率测量系统设计

摘 要

提出了一种直流稳压电源及其输出功率测量系统，系统以单片机为核心，采用DC-DC直流变压电路进行电压转换，使用单片机及其集成的A/D转换器完成功率测量及显示功能，同时在功率测量中使用了专用的集成检流放大器。通过对试验板进行测试与分析，证明系统主要技术指标符合设计要求，具有一定的实用价值。

【关键词】直流稳压电源 功率 检流放大器 单片机

直流稳压电源及其输出功率测量系统在生产、生活中被广泛使用，其中5V直流稳压电源普遍应用于各类数码设备充电、小型仪器仪表供电等，因此一种性能优良，运行稳定的5V直流电源具有很高的实用价值。这里以2013年全国大学生电子设计竞赛L题“直流稳压电源”所列基本要求为基础，设计了一种5V直流稳压电源及其输出功率测量系统，系统能够提供最大1A的电流，适用于各种不同的应用场合。

1 总体设计

系统以单片机为核心，采用DC-DC直流变压芯片进行电压转换，将输入的直流电压转换成5V，并使用采样电阻与AD转换器完成功率测量，采用液晶屏显示系统相关信息。系统结构框图如图1所示。这里单片机采用的是宏晶科技生产的STC15F2K60S2，该单片机是一款高速、低功耗的8051改进型单片机，内部集成高精度时钟及复位电路，可以省去外部时钟与复位电路，更重要的是该单片机内部集成了一个8路高速10位A/D转换器，在本系统中用于功率测量。

系统设计主要技术指标如下：

负载电阻为5Ω时，当直流输入电压在7～25 V变化时，要求输出电压为5±0.05V，电压调整率≤1%；

直流输入电压固定在7V，当直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时，要求负载调整率≤1%；

功率测量与显示电路能实时显示稳压电源的输出功率。

2 直流变压部分设计

这里直流变压芯片采用的是LM2596。LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。该芯片外围电路简单，只需要4个外围元器件就可以完成基本电路的搭建，直流变压部分原理图如图2所示。

根据芯片手册与系统所要求的技术指标，硬件各部分元器件参数取值如下：C1为680µF电解电容，C2为470µF电解电容，D1为肖特基二极管SK54，L1为33mH电感。

该部分电路结构虽然简单，但由于模拟电路受电路板步线及元器件特性影响较大，故在设计时应注意以下一些问题：由于开关电流与环线电感密切相关，这种环线电感所产生的暂态电压往往会引起许多问题，要使这种感应最小、地线形成回路，这里D1与LM2596引脚2，C2与L1，C1与LM2596之间的连线在PCB 板上要印制得宽一点，且要尽可能地短，并且C1、C2、D1、L1 这4个元器件要尽可能地靠近LM2596。

3 功率测量电路设计

这里采用MAX4070完成系统对输出功率的测试，MAX4070是MAXIM公司出品的一款低价的双向、高侧、电流检测放大器，性能优良，适用范围广，该芯片共模输入电压可高达24V，且与电源电压无关，供电电流低于100µA （关断状态电流降至10µA），总的输出误差小于1.5%。为了增加设计的灵活性，芯片需要外接一个确定阻值的检流电阻，并且还可通过一个引脚选择芯片的增益为50V/V或100V/V。芯片通过单一输出引脚输出与电流成正比关系的电压信号，便可连续监视电流变化。这里由于输出电压是确定的，只要对输出电流进行测量便能实现功率测量。功率测量部分的原理图如图3所示。

4 性能测试与分析

5 结论

这里提出了一种直流稳压电源及其输出功率测量系统，并给出了具体的设计，按照设计制作了实物并进行了性能测试，通过测试与分析，证明系统主要技术指标符合设计要求，具有一定的实用价值。

参考文献

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作者简介

张小勇（1982-），男，山西省忻州人，助教，研究方向为传感器技术，嵌入式系统等。

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