电源稳定性设计十篇

电源稳定性设计篇1

Designofacurrentsourcewithhighstabilityforbrainelectricalimpedancetomographysystem

【Abstract】AIM:Toimprovethestabilityofthecurrentsourceforbrainelectricalimpedancetomography(EIT)dataacquisitionsystem.METHODS:Ashieldguardtechniquewasemployedtominimizetheshuntingeffectofthestraycapacitanceofwiresbetweenelectrodesandcurrentsource.Atthesametime,anoutputcurrentcompensatingmethodwasadoptedtocompensatethecurrentlosscausedbythemultiplexersstraycapacitance.RESULTS:Thesimulationresultsshowedthatafterthosemethodswereused,themaximumrelativecurrenterrorona1.5kΩloaddroppedfrom7%to0.4%inworkingfrequencyrange,andthepracticalresultsalsoshowedthatthefinalmaximumrelativecurrenterroronthisloadwaslessthan1%.CONCLUSION:Theshieldguardmethodforwiresandtheoutputcurrentcompensatingmethodforcurrentsourcecaneffectivelyimprovethestabilityofcurrentsourcesoutputcurrent.

【Keywords】electricalimpedancetomography;currentsource;straycapacitance;shieldguard

【摘要】目的:提高脑部电阻抗断层成像数据采集系统的恒流源的输出稳定度.方法：采用屏蔽驱动的方法减弱电极导线分布电容的分流作用，同时采取输出电流补偿的方法对多路开关上的分布电容分流作用进行补偿．结果：仿真结果表明通过这些措施后流经1.5kΩ负载的激励电流的幅度在工作频率范围内最大相对偏差可由原来的7%降至0.4%以下．最终所实现的激励源的最大相对偏差也小于1%．结论：所采取的电极导线屏蔽驱动和输出电流补偿的方法可以达到有效提高恒流源输出电流稳定度的目的．

【关键词】电阻抗断层成像；恒流源；分布电容；屏蔽驱动

电阻断层抗成像（electricalimpedancetomography，EIT）是一种通过体表弱电信号激励和体表电信号测量的方法获取目标区域（某一断面）内组织电阻抗分布信息，并以图像的方式反映出来的新型医学成像技术［1］．与现有的成像技术相比，该技术具有结构简单、设备小巧、易于操作、无创无害等特点，在对机体生理或病理状态的功能成像等方面有着诱人的应用前景，吸引着国内外众多的学者，是近年来生物医学工程领域的研究热点之一．其中，高精度数据采集系统的研制是该技术的研究重点和难点之一．

我们目前的研究目标是利用EIT技术研制一种能实现对人脑出血、脑水肿等疾病进行长时间图像监护的仪器．由于有颅骨这样高电阻率组织的存在［2］，脑部EIT测量时，目标区域电阻率相对较高，同时又由于颅骨的影响，由颅内组织电阻率变化所导致的体表电信号的变化量也相对较弱，因而对相应的数据采集系统提出了更高的要求［3］．本研究以提高数据采集系统中恒流源的输出稳定度为目标，分析影响系统工作时输出电流稳定性的主要因素，并以屏蔽驱动和输出补偿的方式弱化这些因素的影响，达到提高输出稳定度的目的.

1原理

目前的EIT数据采集系统多采用电流激励、电压测量的工作模式．测量时，以等间距贴于目标外周的16或32个电极中的1对（或多对）进行激励，注入一定频率的弱激励电流，同时测量其余电极对上的电压差［4］．理想情况下，恒流源的输出阻抗无穷大，此时不论负载阻抗如何变化，流经负载的电流始终是恒定值，因而通过电压与电流间的比值可精确求解出测量电极间的传输阻抗．但如图1所示，对于实际的EIT系统，虽然恒流源自身的输出阻抗可以达到数MΩ以上的水平，但由于激励电流要通过多路开关和长达1m以上的电极导线才能进入目标区域，多路开关的导通电阻、公共端等效电容、等效输入电容以及电极导线的杂散电容等因素会对激励电流形成一定的影响．为分析这些因素的影响，我们设恒流源输出阻抗为Zs，多路开关公共端等效电容为C1、任意一对相邻的输入端等效并联电容为C2、各通道的导通电阻为R，同时，假设负载阻抗为ZLoad，导线间电容为Cline．在忽略导线电阻的情况下，可以得到恒流源工作时的等效电路(图2).此时，令C=C2//Cline=C2+Cline，可得实际流过负载的电流Iload：式中，ω为激励电流的角频率．

可以看出，Iload不仅会随负载阻抗而变化，同时还会随激励信号频率的改变而改变．由于我们的系统要求在1~200kHz的频率范围内提供相对可靠的阻抗信息，同时，前期的实验结果表明，脑EIT成像时，采用准对向驱动模式［1］情况下，相对恒流源而言，负载阻抗一般在0.5~1.5kΩ之间．因而，我们根据现有电子元件的相关参数，取R=300Ω，C1=30pF，C2=2pF，Cline=100pF，Zs=4MΩ，并将恒流源输出电流设为1mA，以仿真的方式获得了如图3所示的ZLoad分别为0.5kΩ，1kΩ和1.5kΩ时，负载电流随频率变化的曲线．可见，随着频率的上升，流经负载的电流急剧下降，特别是当负载为1.5kΩ，频率为200kHz时，负载电流下降幅度可达7%以上，严重影响了EIT系统的测量精度．因而采取适当的措施降低这种影响是非常必要的.

2方法和结果

通过公式(1)可以看出，由于恒流源输出阻抗Zs远大于多路开关的导通电阻R和负载阻抗ZLoad，导致负载电流随频率和负载变化的主要原因是分布电容．其中，导线分布电容Cline由导线的长度和布局决定，往往会随着环境的改变而变化．为减小Cline对激励电流的分流作用，我们对电极导线进行了屏蔽驱动，具体方法是以同轴电缆的芯线连接电极与恒流源，同时还与一个增益为1的电压缓冲放大器的输入级相联，缓冲放大器的输出级与同轴电缆的屏蔽层相连．工作时，由于芯线与屏蔽层电压相等，激励电流不会分流，从而将Cline的影响减到可以忽略不记的程度.

多路开关的公共端和输入端的等效电容C2和C1由现有器件水平决定，无法降低．但根据公式(1)，负载电流总是随频率的升高而降低，如果我们能使恒流源输出电流Is随频率的升高而升高，则会产生补偿作用，从而在一定范围内提高负载上的电流．根据这一原理，我们实现了如图4所示的恒流源．图中A1为美国AnalogDevices公司的AD844型电流反馈型运算放大器．当其同相输入端（In+）有一电压Vs时，放大器内部电路会在负相输入端（In-）建立一个与之相等的电压，同时通过内部电流镜的作用在输出端建立一个与负相输入端大小相等的电流．因而可得恒流源输出电流Is：因而，我们取负载阻抗为1kΩ，同时取Ri=4kΩ代入上式，可得Ccomp=12.5pF．此时，通过仿真可得如图5所示的负载阻抗分别为500Ω，1kΩ和1.5kΩ时负载电流随频率的变化曲线．从中可见：由于Ccomp的引入，当负载取为1kΩ时，负载电流基本不随频率而改变．而当负载取为1.5kΩ时，负载电流的最大相对偏差也不到0.4%，相对未加补偿时7%的最大偏差而言，降低了10倍以上．

根据以上结果，在实际电路的实现上，我们通过匹配，将补偿电容设置为13pF，同时引入微调电位器，使Ri可在3.9~4.1kΩ调整．最终测量得的激励源在负载为1kΩ时工作频带内负载电流的最大相对偏差不大于0.2%，负载为1.5kΩ时负载电流的最大相对偏差也在1%以内，提高了负载电流的稳定度.

3讨论

EIT技术由于具有成本低、使用方便和对人体无创等优点受到了国内外众多的学者的青睐．在EIT研究中，如何进一步提高测量系统的精度的问题是困扰研究人员的难点之一.

我们根据国外在脑EIT成像方面的研究基础［5-6］和课题组在前期研究的工作基础，在国内外率先提出将EIT技术应用于人颅脑出血、水肿等病的动态床旁图像监护，并通过近期的研究基础也证实了这种方法的可行性［7］．但由于头部高电阻率颅骨的存在，由颅内阻抗变化所导致的体表电信号被大大减弱，从而要求测量系统具有相对更高的测量精度．而根据目前现有的器件水平，影响系统性能的主要因素之一是多路开关对恒流源的影响．这种影响的主要表现是由于多路开关和电极导线等的分布电容的存在使得最终流入成像目标区域的负载电流不稳定，并随负载阻抗以及频率的变化而变化，从而会引入较大的非线性测量误差．为减小这种误差，本研究一方面从减小电极导线分布电容的影响的角度出发，对电极导线进行了屏蔽驱动；另一方面从减小多路开关等效分布电容的影响的角度着手，采取对恒流源进行补偿的方法使实际流过负载的电流保持相对稳定．通过仿真结果可以看出：采用这些措施后，负载电流的稳定性提高了10倍以上．在实际应用中虽然受器件等诸多因素的影响，负载电流的稳定度无法达到仿真的水平，但测量结果也表明电路的输出电流稳定度也有了明显的提高，从而提高了EIT测量结果的准确性．

【参考文献】

［1］史学涛，董秀珍，帅万钧,等.适用于脑部电阻抗断层成像的单源驱动电流模式［J］.第四军医大学学报，2006,27(3):279-282.

［2］GoncalvesS,deMunckJC,VerbuntJPA,etal.InvivomeasurementofthebrainandskullresistivitiesusinganEITbasedmethodandthecombinedanalysisofSEF/SEPdata［J］.IEEETransBiomedEng,2003,50(9):1124-1128.

［3］MurrietaLeeJC,PomfrettCJD,BeattyPCW,etal.EITvoltagechangesonthehumanscalpduetobrainstimulus［J］.Proceedingsofthe15thInternationalConferenceonElectronics［C］.CommunicationsandComputers(CONIELECOMP2005).

［4］史学涛，尤富生，付峰，等.同时工作于四种频率的多频电阻抗断层成像系统［J］．航天医学与医学工程，2006,19(1):47-50.

［5］YerworthRJ,BayfordRH,CusickG，etal.DesignandperformanceoftheUCLHMark1b64channelelectricalimpedancetomography(EIT)systemoptimizedforimagingbrainfunction［J］.PhysiolMeas,2002,23(2):149-158.

电源稳定性设计篇2

【关键词】PWM；双闭环；检测仪器；开关电源

0 引言

随着我国科技不断稳步发展，越来越多的设备需要用到电源，如：稳压电源、直流电源、交流电源等等。但随着设备先进性的不断提高，设备的功能越来越强大，对电源的要求也越来越高，特别是检测仪器仪表，精度要求非常高，需要有非常稳定可靠的电源来确保测量精度。因此，开关电源取代普通的电源设备，广泛应用于检测仪器仪表中。本文设计一种基于PWM脉冲宽制调试的双闭环开关电源，采用国外先进的全波整流控制器，该控制器工作模式不仅可以是电流式也可以是电压式，还能够为谐振零电压开关提供高效、高频的解决方案，因此具有非常广阔的应用前景。本文采用全桥整流装置，利用双闭环负反馈的直流-直流变换控制系统，能太太提高开关电源的电压、电流等精度，符合检验检测仪表行业的要求。

1 检测仪器电源系统概况

随着信息时代的发展，便携式电子产品被越来越多的消费者亲睐。与此同时，解决能量消耗即电源管理问题成为重中之重。因此，具有高效节能特型的开关电源在近年来发展迅速，并在计算机通讯等领域的应用越来越广泛。而PWM型开关电源芯片就具备了此类特性，其核心技术集中在控制环节。此设计采用PWM控制电路，适用于开关电源芯片控制。对PWM调制电路为保证开关电源正常工作应具有的功能展开分析，得到设计要求。对PWM控制电路的组成模块、分类、基本原理及各项性能指标，进行细致深入的研究，最后得到调制电路的基本电路结构及满足性能指标的组成模块，对各个模块的功能和逻辑是电路设计的重点，最终该电路实现能产生一定脉冲驱动信号的功能。

2 系统控制原理图

双闭环负反馈PWM秒冲宽制调制系统中，有两级的反馈系统。串级系统即是电流双闭环反馈系统，而转速反馈构成外环系统，内环是电流反馈。本方案设计三处进行系统的电流取样反馈，取拥缌髦岛拖低成杓频牡缌髦迪啾冉希当取样电流值过大时，系统会自动调节降低工作电流；但取样的电流过小时，系统会自动调节提高工作电压，这是内环电流反馈的工作情况。外环的转速反馈系统，系统通过电压检测装置检测系统的电压情况，再与设计的电压值相对比进行电压高低的调节，达到稳定电压的效果。基于双闭环的设计思想，图1中的各个部分相互独立工作、互不影响，如果某一部分出现故障，不影响另一部分系统的工作，系统内部由电流形成负反馈，外部由电压形成负反馈系统。电流电压负反馈一起运作，能太太的提高系统的稳定性和进度，满足检测仪器仪表的使用要求，达到良好的效果。双闭环反馈系统原理如图1所示。

图1所示虚线框中的1#.2#.…….N#是各个高频开关电源，其稳压或稳流精度很高，原因在于该内部自动控制原理图最终可以简化为一阶系统比例积分环节，图中它们工作在稳流状态下。

3 硬件电路设计

图2为开关电源的硬件电路组成部分，设计采用国外先进的放大器作为本设计的核心器件。芯片的1脚与3脚相连接，构成差分放大，能有效的减小误差，提高设计的精度。

图2所示输出法人取样电压通过R5和R6设置，电压输出端与电阻5和6形成零点电位，电阻1/2/3与电容1/2/3形成效应，与PI构成补偿系统，电阻1和7在电路中形成增益作用。在电流内环中加入斜坡补偿以保证系统的稳定性。硬件电路通常容易出现不对称信号的问题，本设计利用电压负反馈补偿信号的作用，将电阻8作为上拉电阻提供直流电压，与RC构成的多谢震荡器作用，提供反馈电压，从而解决波形的不对称性。图中电流检测信号Is经过I-V变换电路转换成电压信号。芯片741是一个PWM脉冲宽制比较器，根据比较器原理，依据三极管放大电路原理，在芯片3脚接地，芯片的2脚相当于一个反相输入端，对信号进行比较。其内部的过流及限流比较器实现逐周期过流及限流保护。当2 V2.5 V时，执行过流保护模式。

4 结语

本设计依据3895芯片，利用双闭环负反馈的原理，引入电流负反馈和电压负反馈，提高了开关电源的精度，利用PWM脉冲宽制调制技术，提高了电源变换的效率和稳定了。开关电源系统设计之后，对该系统多次进行调试测，反馈结果稳定良好，系统稳定性好，动态响应快，证明本方案是可行的。

【参考文献】

电源稳定性设计篇3

【关键词】电子技术；数控直流稳压电源；设计方案

电源是保证电力电子设备持续生产提供电能的设备，电源电路中一般包含多个单元电路和系统电路，在诸多的电源中，使用的最为广泛的是直流电源。直流电源的获取方式，一般可以分为以下两种：第一是将电池作为直流电源，第二利用交流降压和滤波电流将交流电进行转换，使其成为直流电源。如今所使用的各种电源几乎都能够达到同时获取几个不同电压等级的要求，基于这种情况，数控制流稳定电源又成为了人们使用的最大需求，其能够通过电压的调节提供稳定的电压，而且能够将电压的精度保持在一个较高的水平内，这样便有效的提升了电源的使用质量，因此数控直流稳压电源的设计也受到了越来越多专家学者的重视。笔者认为，数控直流稳压电源的设计方案可以从以下几个方面考虑：

1.直流稳压电源方框图

在图1中所显示的是使用交流电压和滤波电流的方法转换而获得的直流电源，从中也可以看出，这一电源电路中包含的主要部分有减压电路、整流电路、稳压电路等，这些功能共同组成了直流稳定电流。通过上述方框图中的程序，便能同时形成多种直流电压形式，并且在不同的直流工作电中产生的抗压等级也有着一定的差异，因此，其能够同时满足多种不同电力电器设备对工作电压的需求。

1.1 降压电路

降压电路的主要功能是为了实现高压电的降压，为直流工作电压的形成奠定基础。

1.2 整流电路

整流电路是整个电源电路的核心部分，其主要的功能就是将交流电压通过整流二极管的作用，转化为单向的脉冲直流电压，该转换步骤是实现交流与直流转换的关键部分。

1.3 滤波电路

通过上述整流电路转换，输出的电压是单向脉冲星直流电压，该电压不能直接为电子电路提供直流电流的需要，因为其中含有较多的交流成分，这就需要通过滤波电路对其进行过滤，这样才能获得可以直接用于电路工作的稳定工作电压。

1.4 抗干扰电路及保护电路

在一般情况下，抗干扰电路具有多方面的功能，其中最为重要的就是具有较强的抗干扰作用，能够有效的防止交流网中的高频信号进入到整机电路中，防止其对整机电路的稳定性产生影响。同时，抗干扰电路的另一个重要作用就是对整流二极管的保护作用，能够在系统开始运行时防止大量的电流对整流二极管产生的冲击作用，有效的增强二极管工作的可靠性，这种抗干扰作用的实现需要使用小容量电器实现。

1.5 保护电路

保护电路中包含了很多种了，其中电路电源中的保护电路对于电路整体的运行都有着十分重要的影响，在大多数情况下都需要使用电路电源来实现保护动作，从而保证电路电源工作的稳定性。

1.6 稳压电路

稳压电路的功能通常需要利用基层稳压器来实现，在集成稳压器中又分为三端固定式和三端稳压电源两种方式。

2.直流稳压电源设计电路

在直流稳压电源设计中，主要是为了实现稳压电源在电路中的保护作用，并且实现对其他集成电路的持续供电，因此对于精密度的要求可以适当的降低，基于上述要求，在本次设计中使用三端固定式稳压电路便能够满足基本的设计和使用需求，同时也能够时电路的设计更加简便。

要完成D/A的转换以及有效的运算，必须要在以正负电源同时供电作为基础，因此选择15V供电电源。在数字控制电路中要求使用5V电源，可以通过7805集成三端稳压器组成的电源实现。在该电路中，变压器使用的是双抽头的18V变压器。可以输出两路的18V交流电压（变压器的选择一般的标准足：输出电压若要满足U0≥12V。则变压器次级输出的电压一般应需要满足Uo+2V；输出电压若要满足U0≤12V。则变压器次级输出的电压一般应需要满足=U0）。

3.数显电路

在该设计思路中，从计数器的输出端输出的信号通过翻译，进入到译码器的输入端，通过译码器外部的显示器便能够实现数字显示功能。本次设计中使用的是七段译码器，其能够通过信号的输入和输出来实现LED显示器实现对线路的显示和控制。从整个电路的使用需求来看，这里应当使用的输入译码器为BCD码较为科学，其在功能实现方面更加方便，也能够提高LED显示的稳定性。

4.输出电路

在系统的输出电路中，一般包括模拟加法器和电压跟随器两个主要部分。当电压通过输入端进入到模拟加法器中，一部分作为小数位的电压值，另一部分则作为十位上的电压值，不同的电压值同时存在于加法器内进行模拟计算，计算的结果以电流的方式输出，但是这时输出的电流较小，无法满足外用驱动设备的需求。因此，在加法器进行运算之后，还需要将输出的电流进行扩大，这样才能够满足电子电器设备的使用要求，对电流放大的功能可以利用模拟加法器中的集成运算放大功能来实现。

5.D/A转换电路

不同的级别输出电路有着不同的运作方式，其通过对电阻的调节来实现输出电压的控制，在每一级的DAC0832电路中都存在着多种树木模式，不同的数位连接方法也有着较大的差异，所以要通过调整端的作用来实现对启动速度和动态抗阻的有效调节，保证其稳定性，才能将该电压作为基准电压电源。

6.计数器电路及控制电路的设计

计数器电路的主要功能体现在将输入的数字值进行D/A转换之后完成整个电路的转换，这也是实现数控功能的急促航和前提。而控制电路的实现，则是通过对控制器的控制来实现的，一般利用“+”“-”键对电压的大小进行控制，同时实现不同档之间的转换。

参考文献

[1]马花萍.低成本数控直流稳压电源设计[J].科技信息,2012(19).

[2]周述良,张玉平.数控直流稳压电源设计[J].现代电子技术,2011(16).

[3]傅莉.数控直流稳压电源设计[J].电子科技,2010(11).

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电源稳定性设计篇4

【关键词】机器人；控制系统；模块

1.系统运动简介

本系统是一个游戏类机器人模仿现实运动系统，模仿内容要求如下：

几个人抬着kago（轿）轿子远行到目的地击一面鼓。其中一个自动机器人在前面，另一个手动机器人在后面配合，用kago（轿）抬着一个旅行机器人在其他队伍之前到达目的地，完成旅程。

在路上会有各项任务，包括翻越高山和穿越森林。旅客自动机器人在到达的目标区时击打3面胜利之鼓，三个鼓垂直安排于一个平台上。行进的途中kago（轿）和旅行机器人不能掉落。目标区为黑色部分，一部分是台阶区，台阶区中有特定的灰色的鼓区，安放着胜利之鼓。

2.约束条件

旅客自动机器人登上kago（轿）。

翻越山路。

穿过森林。

旅客自动机器人从kago(轿)下轿。

旅客自动机器人击打三个鼓。

旅客自动机器人和鼓槌都不能接触自动或手动轿夫的机器人。

3.方案分析设计

要实现上述运动动作，完成运动的可靠性，灵活性，必须使两机器人和轿子之间进行配合协作，涉及到自动控制系统中的多个关键模块的设计。如控制系统的处理结构，如何选用单片机，电源稳压模块的设计，继电器控制模块设计，电机功率放大驱动模块设计以及方向控制的舵机设计等等。在此只对电源稳压模块和继电器控制模块的设计进行阐述。

（1）电源稳压模块电路设计

由于供能的需要，需分别对单片机系统和外部辅助元件进行供电，采用双电源配置，这样才能使整个控制系统更稳定、可靠。而电源在使用过程中电压会降低，那就必须把电源的稳压电源调低，使之相匹配，并使单片机获得稳定的直流供电电压，这样就必须给系统设计好一个稳压电路，保证系统的平稳运行。

1）选择集成稳压器件

集成稳压器种类多样，可根据外在形状作用不同分为三端集成稳压器和多端集成稳压器。其中三端稳压器件外接元件少、造价便宜，便于使用、维护，安全稳定，满足要求。因此，在此选取最大输出电流可达1A三端串联型稳压器来作为电压稳定器。

2）设计稳压电路

LM7805稳压器作为一种常用的三端固定正电压稳压器，由于性能良好，使用较广。其外部结构图如图1所示，引脚1为电源输入，引脚2为电源地，引脚3为电源输出。

利用此集成稳压器，8V的锂电池通过LM78O5稳压到5V，给74HC04、LM324、74LS86、74LS74、单轴倾角传感器以及光隔供电，而29V锂电池，给直流电机、继电器等器件供电。

除此之外，为提高电路的安全可靠性，还需在芯片增加电容。综合电路如图2所示。

各元件功能：D为二极管，当输入端短路时，通过C3放电，避免C3两端电压过高击穿发射结，起保护作用。Cl、C2用于频率补偿，防止自激振荡、抑制高频千扰和改善负载的瞬态响应；C3采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响。

（2）继电器控制模块电路设计

在本系统中，气动设备的控制，是通过气阀来实现。要控制气阀的“打开”和“关闭”，就必须使用继电器元件。利用继电器“通”和“断”来控制气阀的同时“开、关”响应。从而有效的驱动机械结构部分实现预定的功能动作。

在电路实际设计中，为了增加电路的可靠性，常常需要加上一些附加电路，以改善继电器的工作特性或起到保护继电器的作用。常见的有继电器并联RC电路，继电器串联RC电路，继电器并联二极管三种电路。

不同的电路有不同的功能和特点。继电器串联RC电路主要应用于继电器的额定工作电压低于电源电压的电路中。主要利用电容两端不可能突变，形成（视为）短路的情况下加快了线圈中电流增大的速度，使继电器迅速吸合。电源稳定之后电容不再起作用，电阻起限流作用。继电器并联RC电路闭合以后，RC电路不起作用；断开电路时，继电器线圈由于自感而产生感应电动势，经RC电路放电，使线圈中电流衰减放慢，延长了继电器衔铁的释放时间，从而起到延时作用。

继电器并联二极管电路，如图3所示。此电路主要是为了保护晶体管等驱动元件。当晶体管由导通变为截止时，流经继电器的电流迅速减少，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在Q的C，E两级，会使晶体管击穿。并联上二极管之后，可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通压降，约为0.7v(硅管)，从而避免击穿晶体管等驱动元件。

对于本控制系统，电源电压与继电器额定工作电压相同，且不需要延长继电器衔铁的释放时间，故在设计中主要采用的是第三种辅助电路，以起到保护集成驱动CI芯片安全的作用。整个电路如图4所示:

I/O口信号输出后经过线缓冲驱动器74LS04输入到光耦，对于驱动普通继电器是足够的。值得注意的是，二极管必须要反向连接，否则线圈上产生的较高的反向电动势很容易击穿集成驱动芯片。改电路可以用来控制电机的正反转及转速。

工作过程分析：

图4中，PWM1信号是用来控制电机转速的信号，当输入信号为PWM的高电平状态时，信号经74LS04反向，变为低电平；使得光隔3、4端导通，29V的电源经R13、R14分压，给N沟道增强型MOS场效应管的栅极和源极加上导通电压，使得Q11导通，给电机提供负极输出端。反之，电机会因为没有负极输出端而停止转动。PWM信号正是这样，通过占空比来实现对电机转速的控制。

在PWM1有PWM信号输入的前提下，当direction1信号为高电平时，经过74LS04反向后，变为低电平，光隔工作导通，使得继电器吸合，此时继电器3脚为正，6脚为负，电机两端加上了29V电压正转；反之易得3脚为负，6脚为正，此时为反转。

4.结语

自动机器人的控制系统设计有很多不同的方案，本文在完成运动特性要求的前提下，采用的电源稳压模块设计电路和继电器模块设计电路，比较通俗易懂，简单易行，机器人运动过程的实验证明，采用此方案的效果良好，运动稳定可靠，具有较高的实用价值和参考价值。

参考文献

[1]刘祚时,邱小童,林桂英.竞赛机器人控制系统研制[M].机电工程学院出版,2005.

[2]邓星钟.机电传动控制[M].华中科技大学出版社,2000.

[3]柳欣.第四届CCTV机器人电视大赛控制系统的研制[D].合肥工业大学硕士论文,2006.04

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[5]吴芳美.机器人控制基础[M].中国铁道出版社,1999:96-98.

[6]王水平等.线性稳压器集成电路及应用[M].西安电子科技大学出版社,2006.

电源稳定性设计篇5

关键词：电子束曝光机； 高压电源； 制版精度； 复合补偿

中图分类号：TN710-34； TM46 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0014-04

A Precision High-voltage Power Supply with Compound Regulation Mode

CHEN Zhen-sheng1, LIU Bo-qiang2, YIN Shu-xia1, QI Shuang1

(1. Shandong Kaiwen College of Science & Techlology, Jinan 250200, China;

2. Shangdong University, Jinan 250061, China)

Abstract： In order to ensure the high static accuracy and the high dynamic stability of high-voltage power supply used for elctron beam exposure apparatus, two schemes of compound regulation (in combination with direct regulation and indirect regulation) and compound compensation (in combination with centralized compensation and dispersed compensation) are adopted in the high-voltage powe supply. Some reasonable circuit design items and effective processing measures are used to guarantee the achievement of high stabiliy and the low ripple voltage. The testing of the performace indexes and the practical usage show that the power supply can satisfy the high precision requivements of the electron beam exposure apparatus. All of its performance indexes can reach or exceed the original design reqirements.

Keywords： elctron beam exposure apparatus; high-voltage power supply; plate making accuracy; compound compensation

由于电子束曝光机的高压电源波动对曝光机的束流大小、束斑直径及扫描尺寸都有直接影响，因而提高高压电源的稳定性和可靠性，降低高压电源的纹波，是保证电子束曝光图形高精度的必要措施［1］。为了满足新型电子束曝光机对高压电源高精度的要求，在电源系统的设计中，采用了直接调整和间接调整相结合的系统调整方案，还采用了集中补偿和分散补偿相结合的系统补偿方式，对关键技术采取了针对性的有效措施，研制出了输出电压高达30 kV的精密高压稳压电源。

1 主要设计特点

30 kV精密高压电源原理框图如1所示。主要设计特点体现在以下几个方面。

1.1 采用交流预稳与直流预稳

如图1所示，220 V工频电压经稳压变压器交流预稳压后再给高压电源系统各单元电路进行交流供电。稳压变压器的电压调整率小于等于1%，负载稳定度小于等于2%，它对甚低频、音频和高频干扰都有比较强的抑制作用。稳压变压器还有过载保护特性，当输出电流达到保护值时，输出电压急聚下降。稳压变压器的采用，对电源系统的稳定性、抗干扰性和可靠性起到重要的保证作用。

图1 30 kV精密高压电源原理框图本电源系统有5个前级稳压电源，分别为各相应单元电路提供直流电源。这些稳压电源必须有足够高的稳定性，才能保证高压输出高技术指标要求。其中，基准电压源和前置放大器K1的工作电源性能指标要求最高，电压调整率小于等于2×10-4,负载调整小于等于5×10-4,纹波电压有效值小于等于1 mV,温度系数小于等于5×10－5 ℃-1。

1.2 采用复合调整方案

复合调整方案指直接调整和间接调整相结合的电源系统调整方案。直接调整是在高压回路内进行的直接调整方式。它的调整闭合环路由图1中的取样分压器、比较放大器（K1，K2，K3）、补偿网络Ⅰ、倍压整流滤波器和调整管组成。直接调整具有调整速度快，动态稳定性好的优点，可在高环路增益和具有交流负反馈的情况下不自激，从而有利于实现高静态精度的要求［2］。间接调整是调整器件设置在低压侧的调整方式，调整闭合环路由取样分压器、比较放大器、补偿网络Ⅱ、跟随器、5 kHz振荡器和倍压整流滤波电路等组成。间接调整通过调整5 kHz正弦振荡器的输出幅度，进而使倍压整流滤波器的输出电压得到前级预稳，使直接调整环路中调整管有一个尽可能低的管压降设计值。这样既能改善系统性能，又能延长调整管的使用寿命。间接调整环路是一个大闭环系统，为防止自激，保证系统的稳定性，间接调整环路增益应适当低。

1.3 采用复合补偿电路方案

复合补偿是指集中补偿和分散补偿相结合的电路结构，其目的是为了解决因直接调整环路的高增益设计而带来的动态稳定问题。集中补偿是通过将放大器K2设计为PID放大器而实现的，电路见图2所示。为了减小各参数之间的影响，使C2C1,R1R2,PID放大器的传输函数为［3］：G1(s)≈(T1s+1)(T2s+1)T0s

(1)式中:T1，T2为微分时间常数， T1＝C1R1 ，T2＝C2R2；T0为积分时间常数，T0＝C1R0。

图2 PID放大器原理图分散补偿是指在比较放大器的输出端（K2的输出端）分别对两调整环路设置两个电路结构相同，但参数不同的补偿网络，其电路如图3所示。网络的传输函数为:G2 (s)≈T1′s + 1T2′s + 1

(2)式中:T1′为微分时间常数，T1′＝R2C ；T2′为积分时间常数，T2′＝（R1+R2）C。

1.4 逆变器选用5 kHz正弦振荡器

通常，高压电源均采用高效率的饱和式逆变器，但它不适合高精度高压稳压电源，原因是输出波形中有大的尖峰脉冲，会使高压输出呈现出很大的纹波电压［4］ 。为此，采用5 kHz正弦振荡器，将700 V直流电压变换为振幅高达320 V的5 kHz正弦电压。正弦电压再经升压变压器升压、倍压整流滤波器后，可获得33 kV的高电压。由于正弦振荡器输出不存在尖峰脉冲，这就有效地降低了高压输出中的纹波电压。

图3 分散补偿网络结构1.5 采用交流平衡器

为了抑制高压电源输出工频纹波，采用了交流平衡器，它可输出幅度和相位均可调的工频电压。该电压经比较放大器放大后，传递到电源输出端，可有效地抑制抵消输出端的工频纹流电压。

1.6 采用双通道放大器作为比较放大器

直流通道由K1，K2构成，交流通道由K3，K2构成。采用双通道放大器可兼顾直流增益和交流增益的不同要求，使电源系统既有高的静态精度和好的动态稳定性，又能有效地降低输出纹波电压。

2 提高稳定度的措施

稳压电源的精密度和稳定性主要取决于基准电压的精度、比较放大器的增益高低及其稳定性、取样分压比的稳定性［5］。为此，采取了以下针对性措施。

2.1 比较放大器的增益核定

由于电源系统采取前级交流预稳和直流预稳，并且比较放大器前置级和基准电压源都置于电磁屏蔽恒温槽内，再加上采样电阻采用绝缘油冷脚，因此输出电压受输入工频电压和温度的影响可以忽略。这样放大器的增益仅由电源的负载效应核算即可。根据直接调整环路Ⅰ，可得图4所示的信号流图。

图4 调整环路Ⅰ信号流图图中：Rd为调整管内阻；Ri为整流滤波器内阻；ΔUo为输出电压变化量；μ为调整管放大系数；n为取样分压比；K为比较放大器增益绝对值；P为补偿网络的衰减系数；ΔUg为调整管栅阴电压变化量；ΔIh为负载电流变化量；ΔId为整流电路输出电流变化量；图4中，μKnPμ1，RiRd。由图4可推出：K≈Ri|ΔIh|μnPUo|ΔUo|/Uo

(3) 设计要求在|ΔIh|=100 μA时， |ΔUoUo|≤2×10－5,K应满足下式：K≥Ri|ΔIh|2×10－5μnP|Uo|

(4) 由式（4）计算出输出电压为20 kV的K值应满足K≥3×105。为留有余量，K的设计值为6×105。

2.2 比较放大器前置级设计

对多级直流放大器来说，零点漂移、噪声系数、增益稳定性等重要技术指标主要由前置级决定，并且前置级增益越高，其决定作用就越强［6-7］。因此前置级放大器的精密度对比较放大器的精度起决定作用。前置放大器电路如图5所示。电路中运算放大器选用目前精密极高的斩波稳零集成运放ICL7650［8］,其失调电压温漂小于等于0.01 μV/℃,输入失调电流大于等于0.5 pA，开环增益大于等于5×106,共模抑制比小于等于1×106。电路所用电阻均用精度为0.01%的Rx700.5 W型高精密电阻。前置级增益设定值应尽可能高，设定值为2×104。把前置级电路置于电磁屏蔽恒温槽内，以减小增益温漂和电磁干扰。

2.3 采用精密电压基准源

采用REF102型高精度电压基准源，其输出电压10 V，温漂小于等于2.5 PPM/℃,长时间稳定为10 PPM/100 h，在0.1～10 kHz频段内，噪声电压小于等于6 μV［9］。对REF102的电路进行严格的低温漂、低噪声设计，并将整个电压基准电路设置在电磁屏蔽恒温槽内，进一步减小基准电压的温漂和电磁干扰［10］。

2.4 保证取样分压比的稳定性

取样分压器的高压臂电阻全部选用4 MΩ，2 W的Rx70型精密电阻，并将其全部镶入密封的有机玻璃圆筒内，再把圆筒放入绝缘油箱内。低压臂电阻选用0.5 W的Rx70型精密电阻。低压臂电阻全部放入电磁屏蔽恒温槽内。分压器高压端电阻的电晕放电将严重影响分压比的稳定性和可靠性。为防止分压器电晕放电发生，在分压器的高压端装有直径为400 mm,表面光洁度在7以上的椭圆球，使高压端的最大场强小于2.6 kV/cm。这一措施，切实有效地消除了电晕放电发生，保证了分压比的稳定性。

3 技术指标测试与测试结果

测试电路如图6所示。图中负载电阻RL的电流用来模拟电子束曝光机电子枪的束流。调整RL可调节高压电源负载电流。μA表用来检测电源负载电流；自耦变压器用来调整设定高压电源工频输入电压。

图6 性能指标测试电路3.1 技术指标测试

（1） 纹波电压测试

电源输入电压Ei维持220 V不变,在额定负载电流100 μA情况下，高压输出经过0.035 μF，35 kV的高压电容隔直后，其交流分量耦合到10 MΩ电阻上，用LM400型示波器测量其上的纹波电压。

纹波的主要成份为5 kHz分量，其次是50 Hz分量。考虑高压电容的容抗以及示波器的输入阻抗，根据上述情况可由测得的4 MΩ上的纹波电压换算出输出纹波系数。

（2） 电压调整率的测量

维持额定负载电流100 μA不变，输入工频电压Ei改变±10%。输出高压经分压器分压得一低值电压。用7位半数字电压表HD3455A测量这一低值电压。由此可换算出电压调整率。

（3） 负载调整率的测量

维持输入的工频电源电压Ei为220 V不变，改变负载电流100 μA,用数字电压表测量分压器的输出电压，由此换算出负载调整率。

（4） 长期稳定度的测量

维持工频输入电压不变和额定负载电流不变。用数字电压表HD3455A连续测量9 h，由此测算出长时间稳定度。

3.2 测得技术指标

输出电压：20 kV,25 kV,30 kV。

输出电流：额定值100 μA,最大值300 μA。

电压调整率(～220 V＋10%)：

20 kV :≤3.5×106；

25 kV :≤2×106；

30 kV :≤3×106。

负载调整率（负载电流变化100 μA）:

20 kV :≤2×106；

25 kV :≤4×106；

30 kV :≤3×106。

纹波系数（负载电流为100 μA）:

P-P/Uo≤5×10－6

长期稳定度（负载电流为100 μA）:

≤2.5×105／h；

≤4×105／4h。

3.3 高压电源的实际应用

高压电源给电子束曝光机电子枪提供加速电压。高压输出的正级与电子枪阳极相接、负极与电子枪阴极相接。投入实际应用1年多以来，性能稳定，效果良好，提高了电子束曝光机的制版精度。对于4 mm×4 mm的扫描场，因高压电源波动引起的扫描场波动仅有0.01 μm，精度可达0.3×105。由于加速电压的长期稳定性好，大大提高了电子束曝光机长时间工作时的制版合格率。

4 结 语

本文提出了既采用直接调整与间接调整相结合，又采用集中补偿与分散补偿相结合，使实现高压稳压电源系统既有高静态精度，又有高动态稳定性的切实有效的设计方案。对前置级放大器、基准电压源和取样分压器的高精度设计是提高高压电源精密度的关键措施。采用交流平衡器、交流负反馈和交直流前级预稳，是实现低纹波输出的强有力措施。

参 考 文 献

［1］ 顾文琪.电子束曝光微纳加工技术［M］.北京：北京工业大学出版社，2004.

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［3］ 胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社，2007.

［4］ 丛艳娟，李敏远.基于模糊自整定控制的400 Hz逆变电源系统［J］.电力电子技术，2011，45（5）：95-97.

［5］ 王增福.新编线性直流稳压电源［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［6］ 史瑞超，刘红星，郁健，等. 压电信号采集中放大电路前置级的设计［J］.现代电子技术，2011，34（10）：179-181.

［7］ 蔡建新，张唯真.生物医学电子学［M］.北京：北京大学出版社，1997.

［8］ 张国雄.测控电路［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［9］ 杨振江，蔡德芳.新型集成电路使用指南与典型应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2000.

［10］ 管佳伟，吴虹，孙伟峰.无电阻低压温漂的CMOS基准电压源［J］.电子设计工程，2010,18(3):84-86.

作者简介: 陈振生 男，1946年出生，山东东平人，教授。从事电子技术应用及精密高压电源的研究工作。

刘伯强 男，1956年出生，山东枣庄人，博士研究生，教授。从事电工电子技术及计算机控制技术的研究工作。

电源稳定性设计篇6

关键词：激光器 单片机 电源 控制

中图分类号：TN248.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0001-01

驱动电源的性能对半导体激光器起到非常大的影响，瞬时电流或者电压突变等许多原因都可破坏激光器。电流、温度的剧烈变化会使输出光功率突变，影响输出的精确、稳定。基于单片机的智能化控制，对于解决半导体激光器工作的准确性、稳定性和可靠性的问题起到了极大改善作用。现介绍一种由单片机控制的激光器电源，该系统具有广大的实际使用前景。

1 系统构造

系统的整体结构见图1。组成模块包括：电源管理模块，控制单元模块、温度控制模块、驱动模块等。因为半导体激光器对驱动电源的特殊要求，电源的设计需非常完善。电源部分由功率驱动路、使能电路、电流负反馈电路、取样放大路、恒流源电路、限流保护电路等组成。控制部分主要包括温度和光功率控制，可使半导体激光器输出更加准确、稳定和可靠。

2 激光电源的设计

2.1 电流源的驱动

电源自身的纹波对输出电流影响非常大，电源电压部分中应使用效果良好的稳压电路和滤波电路，确保电源电压有很低的噪声与干扰纹波和非常高的稳定度，采用恒定电流源电路抑制浪涌电流。监测单元的作用：当工作时电流突变或高压瞬间冲击时做出快速响应，同时将中断请求送给单片机系统，MCU便将输出电流调低至零，这样实现过电流保护的作用。

2.2 光功率反馈控制

设计一个闭环的反馈系统来确保激光器输出光功率的稳定性。在激光器后端面安放一个光电二极管，对输出光功率进行采样，首先将其转换成监测电流，然后通过电流与电压的转换电路将其转成电压信号，调节控制信号的幅值来调整输出电流，最终达到对半导体激光器输出光功率的恒定控制。

2.3 恒定温度控制

半导体激光器对温度非常敏感，温度的升高，阀值电流提升，促使输出光功率降低，波长变大。温度的升高还会造成LD内部产生缺陷，还可导致影响寿命。PN结温度的上升主要原因是因为输入的电能所产生的热消耗，因此需要调控激光器的结温，使输出的光功率和工作波长稳定。

利用温度传感器对半导体激光器的温度值进行采样，获取实际温度值，然后与键盘预先设定的基准温度值比较，同时进入PID算法控制模块，经过算法处理，得到稳定的温度值，最过将稳定的输出数字控制量经过D/A转换，把得到的模拟信号量发送给半导体制冷器，从而达到对半导体激光器的温度自动控制目的。

2.4 显示界面

系统使用LCD12864显示输出频率、输出脉宽、输出脉冲数。在待机时，显示当前系统的频率、脉宽、输出脉冲数值；当系统处于预置状态时，界面显示图标闪烁，如果此时有增加、减少键按下时，将增减相应的数值。

2.5 键盘控制

键盘有五个按键，设置为开始/停止、波形的选择、功率设置、增加、减少。可预置功率、频率、脉宽的值。按键优先级从高至低依次为启动/停止、波形选择、功率设置、增加、减少。通电时，波形选择、功率预置、增加、减少键有效。当增、减按键被连续按下时，增加、减少的速度会自动变快，使系统可以快速的实现要求功能。

2.6 硬件方案设计

系统主要硬件设计有光功率控制和温度控制电路，可以更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。硬件结构如图2。光功率和温度采样模拟信号经放大后由A/D转换为数字信号，送入MCU进行运算处理，反馈控制信号经D/A转换后再分别送给激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。

3 结语

本文应用AVR单片机对激光电源进行智能化控制，介绍了智能控制系统的硬件结构和工作原理。应用开关电源和微控制器的解决方案，使激光电源具有智能化程度高、体积小、保护完备和使用方便等优点，同具备与电脑或其它智能仪器通信等功能。经过测试，系统性能稳定，完全达到科研机构对激光电源性能指标要求。

参考文献

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[5] 吕百达.固体激光器件[M].北京：北京邮电大学出版社，2002.

电源稳定性设计篇7

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。该芯片电路简单，只需要4个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680?F电解电容，C2为470?F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100?A （关断状态电流降至10?A），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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[2]潘传勇，丁国臣，陈世夏.一款基于锂离子电池移动电源的设计[J].现代电子技术，2013，20（37）：52-53.

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电源稳定性设计篇8

关键词：高层建筑；智能信息化系统；UPS电源

随着城市居民生活水平的进一步提高，建筑智能化、网络化、自动化技术发展也非常快，尤其是以网络通讯技术为基础发展起来的高层建筑智能信息化系统，已成为高层楼宇建筑智能人性化服务的重要功能系统。为了提高住宅小区人性化智能服务水平，很大大规模高层建筑开发商竞相引进各种弱电智能自动化集成系统，以提高整个高层楼宇建筑的智能人性化服务水平，实现楼宇建筑机电设备管理自动化（BA）、通讯自动化（CA）、以及协同办公自动化等功能。在建筑智能信息化系统中，UPS供电系统的运行稳定性和动作可靠性，对确保信息化网络及智能自动化设备功能的正常发挥和安全稳定运行，就显得尤为重要。

1 UPS电源组成及工作原理

UPS（Uninterruptible Power System）不间断电源，主要由市电输入滤波电路、整流充电电路、蓄电池充电控制回路、逆变输出回路、自动切换开关、逻辑动作波爱护电路等共同组成，当UPS系统中充电电池性能变差或存在安全隐患时，UPS会自动校验并报警，提醒相关运行管理人员及时维护处理，避免由于UPS电源系统失电而造成事故的发生或扩大。UPS电源其供电原理是当市电正常供电时，系统会通过内部转换电路将交流电转为直流，对能够储能装置中的电池进行充电，以备市电突然中断后重新启动使用；当高层建筑市电供电系统发生突然中断时，UPS系统就会将储存于储能装置中直流电能通过逆变电路转换为交流电源，向高层建筑供配电系统中的特殊弱电系统（如：计算机监控系统、楼宇信息化系统、中心机房等弱电系统）继续提供电能资源，确保高层楼宇建筑特殊系统的正常稳定运行。UPS电源系统并不是简单的供电停电后才会动作，而是当市电供电系统出现非正常运行工况如：雷电过电压、瞬间浪涌、以及超荷低电压等会影响到高层楼宇建筑弱电系统和信息化系统正常稳定运行时，均会自启动为这些特殊系统或设备提供稳定且纯净的电能资源，确保其稳定可靠的运行。高层楼宇建筑供配电系统中一般负载（如：水泵电机、风机、冰蓄能空调等）在启动瞬间均会对建筑供配电系统产生冲击电流，虽然UPS电源内部功率电力电子元件均有一定的安全工作区，且在UPS电力电子元件选配过程中均会留有一定余地，但由于供配电系统中过大的冲击波，还是会降低UPS系统内部元器件的工作性能，缩短其使用寿命，甚至还会造成一些元器件发生烧损等危害。因此，在UPS系统选型、设计、调试、使用维护过程中，应尽量避免或减少冲击电流对UPS系统带来的影响[1]。

2 UPS电源系统在建筑电气中的应用现状

UPS和EPS（Emergency Power Supply）应急供电电源系统，其工作原理基本相同，均是通过蓄电池在正常供电情况进行蓄电以作为后备电源，但两个系统所支持的负载类型、切换时间、控制保护方式等均存在很大差异。的性质不同,切换时间、控制方式都有所差别。EPS电源系统主要支持电感性和混合性的负载(如水泵电机、风机、安全照明、应急照明、消防系统等)，其过载能力较强，但对切换时间要求不是非常高。大部分EPS电源系统生产厂家其将切换时间控制在0.1～0.25s范围，这显然不能满足智能信息化数据处理弱电系统运行需求。UPS不间断供电电源，可用于允许中断供电时间在ms级范围的特殊供电场所或系统，后备式（暗备用）UPS电源系统其电源转换时间应控制在2～10ms范围；而在线式（明备用）UPS电源系统，则不存在转换时间问题。绝大部分UPS电源系统，还可以提供在线自检高、低电压动态保护，能够进行供电电源波形失真自动校正处理，且具有频率稳定、供电电压稳定功能，同时还能起到抑制差模、共模等噪声污染问题。因此，UPS电源系统在高层楼宇建筑中弱电及生命安全维系系统领域中，得到广泛推广应用，发挥着非常强大的功能。

3 高层建筑智能信息化系统UPS电源选用技术要点

UPS作为高层楼宇建筑信息化系统中计算机和其他先进电子设备，正常稳定运行不可缺少的供电保护系统，其在建筑智能信息化系统中发挥着非常重要的功能。但由于长期以来，设计、调试、运行管理等人员，对UPS电源系统的性能、特点、动作保护特性等不够了解，从而造成选择不当，使其在工程应用中使用寿命大大缩短、故障率较高，不仅大大影响了UPS电源系统性能的正常发挥，同时给高层楼宇建筑智能信息化系统安全稳定运行埋下巨大安全隐患。

3.1 UPS类型选择

目前，在工程中常用的UPS电源系统主要包括后备式、在线交互式、以及双变换在线式三大类，其中，后备式和在线交互式UPS电源系统，由于其逆变器电路结构按照一些不是十分苛刻的应用场所进行设计的，其在运行过程中对暂态干扰的综合处理能力有限；双变换在线式UPS电源系统，由于其逆变器电路结构具备在线实时监测校正工作，能对建筑供电系统中所有电源故障或异常冲击进行有效隔离处理，非常适用于存在大量非线性负载的高层楼宇建筑低压配电网，能够有效隔离建筑低压配电网系统中时刻存在的各种暂态干扰分量，进而可以避免低压配电网中任何可能的电源故障，对高层楼宇建筑重要信息计算机机房等关键设备带来破坏。因此，双变换在线式UPS电源系统，是高层楼宇建筑智能信息化系统不间断供电电源的最佳选择[2]。

3.2 UPS电源系统输出电性能指标选择

不同类型UPS电源系统，其所适用的范围不同，其所能达到的电性能指标也有很大差异，因此，合理选择UPS电源系统的输出电性能指标也是UPS电源选用的重要点之一。不同类型UPS电源系统其输出电性能指标如表1所示：

从表1可知，双变换在线式UPS电源系统，其电压稳定精度可以达到±1%，电压波形失真度(

3.3 UPS容量选择

UPS电源系统中，蓄电池供电时长主要受负载大小、电池容量、环境温度、以及电池放电截止电压等因素影响。因此，在UPS电源实际工程选型设计时，可以按以下式进行估算：蓄电池运行安时数(Ah) = UPS电源功率(VA)×延时时间(h)÷UPS电源起动电压(V)，也就是根据设计要求，在知道UPS电源功率、延长时间、以及起动电压三个分量后，就可以计算出UPS电源的运行安时数。在选择UPS电源系统容量时，除了要考虑高层建筑智能信息化系统UPS电源额定工作容量外，还要考虑一定的裕量，通常按照各设备额定功率总和的1.5倍进行容量设计。

4 结束语

在高层楼宇建筑智能信息化系统UPS电源选用过程中，只有合理地选配、正确地使用与维护，才能确保UPS电源系统在具有较高质量和运行稳定性的基础上，获得最大经济效益，充分发挥UPS电源系统的性能，确保现代高层楼宇建筑智能信息化系统的安全正常稳定运行。

参考文献

电源稳定性设计篇9

【关键词】单片机 稳压电源 连续可调 ADC

经过前期的调查研究统计，发现大多高校的电工实验设备在进行戴维南定理验证实验过程当中当两个电源同时作用时造成低电压电源输出升高的问题，例如我校的电工实验设备在进行该实验的过程中，当电源一（6V）与电源二（15V）两电源同时作用一系统时往往会造成电源一电压升高从而造成实验结果不正确。而且大多高校使用的电工实验设备与我校的电工实验设备原理相同，都存在上述问题。遂开发出基于STC89C51单片机的数字化控制的电工实验用可灌入式稳压电源，使实验过程中电源一输出稳定，从而保证实验结果准确。

该项目最大的特色及创新点是创造性的以单片机为核心，组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，通过对电源电压进行数据采样与设定数据比较，从而调整和控制电工实验设备中电源的输出。

采用模拟电路的可调稳压电路是用一个多档开关来控制输出电压，而所谓的显示系统只是再多档开关的每个档的旁边注明电压值。随着电子行业的发展，他不耐用的弊端已经使它逐渐离开了历史的舞台。

一、系统硬件部分

（一）STC89C51主控部分。

STC89C51主控部分是系统控制核心，主要负责对电工实验设备的输出电压进行采样并与手动设定的参考电压进行对比，而后通过控制数字电位器的阻值来实现对稳压电源的调节，并且对输出的电压值进行实时显示。STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用高密度非易失存储器制造技术工艺，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的STC89C51是一种高效微控制器。

（二）采样电路。

图2 采样电路

（三）变压稳压电路。

变压电路将工频220V/50Hz电压经过降压、整流、滤波后输入给稳压芯片。LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用，故本设计采用LM317为稳压芯片。

（四）直流稳压输出控制电路。

数字电位器也称数字可编程电阻器，是采用CMOS工艺制成的数字-模拟混合信号处理集成电路，能在数字信号的控制下自动改变滑动端的位置，从而获得所需要的电阻值。数字电位器本身就是一个包含控制接口、存储器和电阻的系统，它是通过软件和控制接口进行编程的，因此，在调节过程中不会产生电噪音。故本项目采用数字电位器控制输出电压。

二、结束语

本系统操作自动化，系统的整个测量过程如数据的采集、传输与处理以及显示等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。本设计具有友好的人机对话能力。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。

参考文献：

[1]谭浩强，张基温，唐永炎.C语言程序设计教程[M]. 北京：高等教育出版社，1992.

[2]张友德等.单片微型机原理、应用与实验[M]. 上海：复旦大学出版社，2006.

[3]尹建华，张惠群.微型计算机原理与接口技术[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

电源稳定性设计篇10

关键词：连续可调；直流电源电路；软启动；电压补偿；LM317

中图分类号：TN710

文献标识码：B

文章编号：1004―373X(2008)04―012―03

1 引 言

电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机)中，对电源的性能要求更高。在很多应用直流电机的场合中，要求为电机驱动电路提供1个其输出能从0 V开始连续可调(0～24 v)的直流电源，并且要求电源有保护功能。实际上就是要求设计一个具有足够调压范围和带负载能力的直流稳压电源电路。该电路的设计关键在于稳压电路的设计，其要求是输出电压从0 V开始连续可调；所选器件和电路必须达到在较宽范围内输出电压可调；输出电压应能够适应所带负载的启动性能。此外，电路还必须简单可靠，能够输出足够大的电流。

2　电路的设计

符合上述要求的电源电路的设计方法有很多种，比较简单的有3种：

(1)晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图1所示，该电路中，输出电压Uo经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压u1。发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压Uo为恒定值(稳压值)。因输出电压要求从0 V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0 V开始调节。

单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。

(2)采用三端集成稳压器电路。如图2所示，他采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0 V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。

(3)用单片机制作的可调直流稳压电源。该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89CS51单片机控制继电器改变电阻网络的阻值，从而改变调压元件的参数，并加上软启动电路，获得0～24 V，0.1 V步长，驱动能力可达1 A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。

正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。稳压电路由三端稳压芯片LM317(负压用LM337)及器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。

该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24 V范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。在实际中，如果对电路的要求不太高(这种情况较多)，多采用第二种设计方案。

3　实际电路的设计

电路采用三端集成稳压器电路方案，电路原理图如图4所示。其中IC为三端集成稳压器。晶体管T，阻R3和电容器C组成软启动电路。电阻R4和二极管D组成电压补偿电路。电容C2为输出滤波电容。

(1)三端集成稳压器LM317及其调压原理。图4中IC采用了LM317系列三端集成稳压器，其输出电压调节范围可达1.25～37 V，输出电流可达1.5 A，内部带有过

(3)软启动电路设计。软启动电路由晶体管T，电阻R3，R和电容器C组成。其作用是使电路输出电压U0有一个缓慢的上升过程，以适应感性负载(如直流电机)的启动特性。当输入电压U1接入时，因C上的电压不能突变，故T因基极电位较高而饱和导通，使U2(LM317的2脚电位)和U3都很低，故U0很小，随着C的充电，T的基极电位下降，其集电极电位(即U2)升高，使U3升高(因U32为一稳定电压)，所以U0也升高。当C充满电时，T被截止，启动电路失去作用，U0也达到设定值。启动的时间可以通过改变C和R的值进行调整。

(4)改进方案。由于该电路的输出电压的调整完全依赖电电位器R2的改变，因此R2的改变范围较大，这样在输出电压的调整过程中，容易调过头或调不足，要准确地实现0～24 V宽范围的电压任一电压有些调整比较麻烦，必须反复调整，只依赖R2是比较困难的，如果将电位器R2用一个电位器R′2和电阻R档串联实现，通过一个开关实现电阻R档的改变从而改变输出电压的范围，并在所选择的输出电压范围内通过改变电位器R′2的阻值得到所需要的准确的直流电压输出。电路如图6所示。