CN209930163U - 一种高精度数控电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度数控电源。该高精度数控电源包括主功率变换电路、BUCK同步降压电路、STM32处理器、PWM驱动电路和采集反馈电路：辅助电源用于将市电降压为直流电后用于辅助供电；主功率变换电路用于将市电变换成50V直流电；BUCK同步降压电路用于将50V直流电进一步降压为所需直流电压后输出；采集反馈电路用于对输出电压进行采样调理后的电压信号送入STM32处理器；STM32处理器用于比较预设电压和当前输出电压值并对其进行运算，进而根据运算结果向PWM驱动电路输出PWM信号；PWM驱动电路用于将接收的PWM信号升压扩流后输出有驱动能力的PWM信号，用于调节BUCK同步降压电路输出预设电压。该高数控电源具有大功率、高效率、高精度等特点。

Description

一种高精度数控电源

技术领域

本实用新型涉及一种电源，具体是一种高精度数控电源。

背景技术

数控电源，在当今的社会中有着举足轻重的地位，由于其体积小、自重轻、效率高的特点，所以小到手机充电器，大到电视中都能看到它的身影，在个人电脑、通信设备、仪器仪表等方面更是得到广泛的应用，成为各种电气设备中不可或缺的电源模块。而且随着智能电器产品的出现，人们对电源的质量要求也越来越高。但是市面上许多的数控电源是存在这样那样的不足的，比如稳定性差、功率密度比较低、输出电压误差较大、分辨率不高等。因此，设计一款高效率、高性能、高精度的数控电源是非常有必要的，如何使开关电源在程序控制下实现高精度、高效率的产品就成为了当今热门的研究课题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种大功率、高效率、高精度的数控电源。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种高精度数控电源，包括主功率变换电路、BUCK同步降压电路、STM32处理器、PWM驱动电路和采集反馈电路，辅助电源用于将市电降压为直流电后，为STM32处理器、主功率开关电路和采集反馈电路供电；主功率变换电路用于将市电变换成50V直流电；BUCK同步降压电路用于将50V直流电进一步降压为所需直流电压后输出；采集反馈电路用于对输出电压进行采样调理，并将采样调理后的电压信号送入STM32处理器；STM32处理器用于对电压信号处理后得出当前输出电压值，然后比较预设电压和当前输出电压值并对其进行运算，进而根据运算结果向PWM驱动电路输出PWM信号；PWM驱动电路用于将接收的PWM信号升压扩流后输出有驱动能力的PWM信号，该PWM信号用于调节BUCK同步降压电路输出预设电压。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述主功率变换电路包括整流滤波电路、主功率开关电路和PWM控制电路；整流滤波电路用于将市电整流滤波后供给主功率开关电路；主功率开关电路采用隔离式半桥开关电源拓扑，用于将整流滤波后的市电变换成50V直流电；PWM控制电路用于对主功率开关电路输出PWM信号，用于调节输出电压至所需电压值。

所述整流滤波电路包括两级复合式EMI滤波电路以及耦合于两级复合式EMI滤波电路输出端的整流桥。

所述主功率开关电路包括主功率变压器T1，激励变压器T2，作为开关管的两个三极管Q1、Q2，以及作为推挽驱动管的两个三极管Q3、Q4；主功率变压器T1包括初级绕组N6和次级绕组N7、N8；激励变压器T2包括初级绕组N1、N2和次级绕组N3、N4；三极管Q1耦合有二极管D2，以及电阻R15、R16；三极管Q2耦合有二极管D5，以及电阻R20、R21；PWM控制电路的PWM信号送至三极管Q3、Q4的基极，使之交替导通；辅助电源的供电经过T2的初级绕组N1、N2之后送至三极管Q3、Q4的集电极；三极管Q3、Q4分别耦合有二极管D3、D4，二极管D3、D4全波整流后得到50V电压。

更进一步的，所述主功率开关电路还包括有二阶LC滤波电路和加速电路；二阶LC滤波电路由电感L1、电容C13、电感L2、电容C12构成，用于对整流后的50V电压进行滤波；加速电路由电容C9、二极管D2、电阻R15、电容C14、二极管D5、电阻R20和绕组N5，用于缩小三极管Q1、Q2从放大区进入饱和区的时间。

所述PWM控制电路采用TL494芯片为控制芯片，TL494芯片9、11脚为PWM信号输出端；PWM控制电路还包括电阻R1、R2、R3、R4、R7和电容C2、C3、C4；电阻R1、R2用于电压反馈；电阻R3和C2并联，用于电流反馈；电阻R4、R7和电容C3、C4用于防止开关自激。

所述BUCK同步降压电路包括两个MOS管Q1、Q2，两个MOS管Q1、Q2的G、S极之间分别连接有10K的电阻R1、R2；BUCK同步降压电路的输入部分包括储能电感L1，以及多个并联滤波的电容E1～E6；BUCK同步降压电路的输出部分包括储能电感L2，以及多个并联滤波的电容E7～E10。

所述PWM驱动电路采用IR2110芯片为控制芯片；PWM驱动电路还包括用作栅极驱动电阻的电阻R10、R15，电阻R10、R15分别并联二极管D11、D13。

所述采集反馈电路包括输出电压采集电路和输出电流采集电路。

其中，所述输出电压采集电路包括电阻R10、R11，电容C16，LM324运放组成的电压跟随器，以及线性光耦HCNR200，输出电压经过电阻R10、R11的分压及电容C16滤波后输入到电压跟随器，然后通过光耦HCNR200进行隔离后输入到STM32芯片的ADC中。

其中，所述输出电流采集电路包括采样电阻R14，电容C23、C24，LM324运放组成的电压跟随器，以及调理电路，输出电流经过采样电阻R14转化为电压，经过电容C23、C24滤波后，通过电压跟随器和调理电路处理后送入到STM32芯片的ADC中。

所述STM32处理器还连接有显示电路，显示电路采用LCD12864液晶屏。

所述STM32处理器还连接有按键电路和编码器；按键电路用于向STM32处理器输入调整信号，促使STM32处理器控制BUCK同步降压电路的输出电压；编码器为旋转编码开关，用于通过旋转实现对输出电压电流的设定和调节。

所述STM32处理器的型号为STM32F103C8T6。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的高精度数控电源综合利用了电力电子技术、微处理器技术、数字电子技术、模拟电子技术、开关电源技术等，其功率变换部分采用隔离推挽式开关电源使220V市电变换为50V直流电压，电压变换部分采用BUCK同步降压，使输出电压在0-40V可调，输出电流0-10A可调，步进精度为0.1V、0.1A，主控芯片采用STM32单片机，系统稳定性高，输出纹波100mv以内，输出功率峰值400W。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的结构框图。

图2为图1实施例中主功率变换电路的整流滤波电路的电路图。

图3为图1实施例中主功率变换电路的主功率开关电路的电路图。

图4为图1实施例中主功率变换电路的PWM控制电路的电路图。

图5为图1实施例中BUCK同步降压电路的电路图。

图6为图1实施例中PWM驱动电路的电路图。

图7为图1实施例中采集反馈电路的输出电压采集电路的电路图。

图8为图1实施例中采集反馈电路的输出电流采集电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实施例的高精度数控电源，包括主功率变换电路、BUCK同步降压电路、STM32处理器、PWM驱动电路和采集反馈电路。STM32处理器的型号为STM32F103C8T6。辅助电源用于将市电降压为直流电后，为STM32处理器、主功率开关电路和采集反馈电路供电主功率变换电路用于将市电变换成50V直流电。BUCK同步降压电路用于将50V直流电进一步降压为所需直流电压后输出。采集反馈电路用于对输出电压进行采样调理，并将采样调理后的电压信号送入STM32处理器。STM32处理器用于对电压信号处理后得出当前输出电压值，然后比较预设电压和当前输出电压值并对其进行运算，进而根据运算结果向PWM驱动电路输出PWM信号。PWM驱动电路用于将接收的PWM信号升压扩流后输出有驱动能力的PWM信号，该PWM信号用于调节BUCK同步降压电路输出预设电压。

此外，STM32处理器还连接有显示电路，按键电路和编码器。显示电路采用LCD12864液晶屏，LCD12864液晶屏的供电由辅助电源提供。按键电路用于向STM32处理器输入调整信号，促使STM32处理器控制BUCK同步降压电路的输出电压。编码器为旋转编码开关，用于通过旋转实现对输出电压电流的设定和调节。LCD12864液晶屏、按键电路和旋转编码开关和STM32处理器的连接均为本领域的常见技术，在此不加以赘述。辅助电源主要是将市电变换为12V、5V、3.3V直流电压给各个控制电路供电；其结构和原理也是本领域的常见技术，在此亦不加以赘述。

此外，主功率变换电路包括整流滤波电路、主功率开关电路和PWM控制电路；整流滤波电路用于将市电整流滤波后供给主功率开关电路；主功率开关电路采用隔离式半桥开关电源拓扑，用于将整流滤波后的市电变换成50V直流电；PWM控制电路用于对主功率开关电路输出PWM信号，用于调节输出电压至所需电压值。

参考图2，整流滤波电路包括两级复合式EMI滤波电路以及耦合于两级复合式EMI滤波电路输出端的整流桥。输入到系统的220V交流电首先经过两级EMI滤波电路，这两级EMI滤波电路由电容CX1、CY2、CY4，电感L2，电容CX2、CY1、CY3，电感L3组成。经过EMI滤波电路的220V交流电再经过无源PFC电路进行功率因数校正，无源PFC电路是由电容CX3、电阻R2、电感L1构成的低通滤波电路，电感L1在这里起到缓冲补偿的作用，减小输入交流电的电压与电流之间的相位差，从而提高系统的功率因数。校正之后的220V交流电经过整流桥B1进行全桥整流，之后经E1、E2滤波得到稳定的直流电压，且E1、E2充电到160V左右，供给主功率开关电路使用

参考图3，主功率开关电路包括主功率变压器T1，激励变压器T2，作为开关管的两个三极管Q1、Q2，以及作为推挽驱动管的两个三极管Q3、Q4；主功率变压器T1包括初级绕组N6和次级绕组N7、N8；激励变压器T2包括初级绕组N1、N2和次级绕组N3、N4；三极管Q1耦合有二极管D2，以及电阻R15、R16；三极管Q2耦合有二极管D5，以及电阻R20、R21；PWM控制电路的PWM信号送至三极管Q3、Q4的基极，使之交替导通；辅助电源的供电经过T2的初级绕组N1、N2之后送至三极管Q3、Q4的集电极，激励变压器T2初级绕组产生交变电压。激励变压器T2次级绕组N3、N4分别感生出相反的电压，分别经二极管D2，电阻R15、R16加到三极管Q1(MJE13009)的基极，经二极管D5，电阻R20、R21加到三极管Q2(MJE13009)的基极，使之交替导通。当三极管Q1导通时，电容C29上电压经三极管Q1，激励变压器T2次级绕组N5，主功率变压器T1初级绕组N6，电容C10形成放电回路。此时主功率变压器T1初级绕组N6上电压为由下至上。当三极管Q2导通时，电容C35上的电压经电容C10，主功率变压器T1的初级绕组N6，激励变压器T2的初级绕组N5，三极管Q2形成放电回路。此时主功率变压器T1初级绕组N6上电压为由上至下。绕组N7、N8由绕组N6上的交变电流感生出电压，该电压经二极管D3、D4全波整流得到50V电压。电阻R14、电容C11与电阻R23、电容C16构成吸收电路，减小二极管开通与截止时产生的尖峰电压。整流后的电压经电感L1、电容C13、电感L2、电容C12构成二阶LC滤波电路滤波。为防止输出电压虚高，加入电阻R19假性负载稳定电压。

此外，为降低三极管Q1、Q2的开关损耗，加入了加速电路。加速电路由电容C9、二极管D2、电阻R15、电容C14、二极管D5、电阻R20和绕组N5。三极管Q1导通时，绕组N5由左到右流过电流，绕组N3与之相位相同，则会感生出从右到左的电流，经过二极管D2、电阻R15之后正向偏置电流增加，加大饱和深度，再由电容C9的加速(电容两端电压瞬间不变)，使三极管Q1从放大区迅速进入饱和区。三极管Q2工作过程同理。

参考图4，PWM控制电路采用TL494芯片为控制芯片，TL494芯片9、11脚为PWM信号输出端；PWM控制电路还包括电阻R1、R2、R3、R4、R7和电容C2、C3、C4。设定电压电流由TL494芯片内部5V的基准电压源来提供。电压反馈由电阻R1、R2组成，采样比为1/10。电流反馈电阻R3取用0.01Ω的康铜丝，电阻R1为设定限流电位器，其分压得到的电压经由电子R8、R9，1/48分压之后输入到电流误差放大器，相当于将采样电流放大48倍，使得反馈控制稳定。由于电压反馈采样比为1/10，采样电压最大为5V，所以电压误差放大器输入直接由电阻R2分压输入即可。为了防止带负载开机的功率管瞬间电流过大而烧管，加入了电容C6，开机的时候电容充电，4脚瞬间电压为5V，此时占空比为48％，然后电容经由电阻R12放电使电压下降为0V，实现开机缓冲。为了防止开关自激在这里加入了电阻R4、R7，电容C3、C4到PWM补偿端。

参考图5，BUCK同步降压电路包括两个MOS管Q1、Q2，两个MOS管Q1、Q2的G、S极之间分别连接有10K的电阻R1、R2；BUCK同步降压电路的输入部分包括储能电感L1，以及多个并联滤波的电容E1～E6；BUCK同步降压电路的输出部分包括储能电感L2，以及多个并联滤波的电容E7～E10。

参考图6，PWM驱动电路采用IR2110芯片为控制芯片；PWM驱动电路还包括用作栅极驱动电阻的电阻R10、R15，电阻R10、R15分别并联二极管D11、D13。

参考图7和图8，采集反馈电路包括输出电压采集电路和输出电流采集电路。输出电压采集电路包括电阻R10、R11，电容C16，LM324运放组成的电压跟随器，以及线性光耦HCNR200，输出电压经过电阻R10、R11的分压及电容C16滤波后输入到电压跟随器，然后通过光耦HCNR200进行隔离后输入到STM32芯片的ADC中。输出电流采集电路包括采样电阻R14，电容C23、C24，LM324运放组成的电压跟随器，以及调理电路，输出电流经过采样电阻R14转化为电压，经过电容C23、C24滤波后，通过电压跟随器和调理电路处理后送入到STM32芯片的ADC中。

工作时，从市电输入的220V交流电经主功率变换电路变换到50V直流，经辅助电源变换为12V、5V、3.3V直流电压给各个控制电路供电。以STM32F103C8T6为主控芯片，控制显示输出电压、电流和设置电压电流等操作。STM32F103C8T6处理器输出PWM信号经由PWM驱动电路驱动BUCK同步降压电路输出想要的电压值。BUCK同步降压电路输出的电压、电流经电压电流检测电路反馈到单片机构成电压环和电流环的闭环反馈。

Claims (10)

1.一种高精度数控电源，包括主功率变换电路、BUCK同步降压电路、STM32处理器、PWM驱动电路和采集反馈电路，其特征在于：辅助电源用于将市电降压为直流电后，为STM32处理器、主功率开关电路和采集反馈电路供电；主功率变换电路用于将市电变换成50V直流电；BUCK同步降压电路用于将50V直流电进一步降压为所需直流电压后输出；采集反馈电路用于对输出电压进行采样调理，并将采样调理后的电压信号送入STM32处理器；STM32处理器用于对电压信号处理后得出当前输出电压值，然后比较预设电压和当前输出电压值并对其进行运算，进而根据运算结果向PWM驱动电路输出PWM信号；PWM驱动电路用于将接收的PWM信号升压扩流后输出有驱动能力的PWM信号，该PWM信号用于调节BUCK同步降压电路输出预设电压。

2.根据权利要求1所述的高精度数控电源，其特征在于：所述主功率变换电路包括整流滤波电路、主功率开关电路和PWM控制电路；整流滤波电路用于将市电整流滤波后供给主功率开关电路；主功率开关电路采用隔离式半桥开关电源拓扑，用于将整流滤波后的市电变换成50V直流电；PWM控制电路用于对主功率开关电路输出PWM信号，用于调节输出电压至所需电压值。

3.根据权利要求2所述的高精度数控电源，其特征在于：所述整流滤波电路包括两级复合式EMI滤波电路以及耦合于两级复合式EMI滤波电路输出端的整流桥。

4.根据权利要求2所述的高精度数控电源，其特征在于：所述主功率开关电路包括主功率变压器T1，激励变压器T2，作为开关管的两个三极管Q1、Q2，以及作为推挽驱动管的两个三极管Q3、Q4；主功率变压器T1包括初级绕组N6和次级绕组N7、N8；激励变压器T2包括初级绕组N1、N2和次级绕组N3、N4；三极管Q1耦合有二极管D2，以及电阻R15、R16；三极管Q2耦合有二极管D5，以及电阻R20、R21；PWM控制电路的PWM信号送至三极管Q3、Q4的基极，使之交替导通；辅助电源的供电经过T2的初级绕组N1、N2之后送至三极管Q3、Q4的集电极；三极管Q3、Q4分别耦合有二极管D3、D4，二极管D3、D4全波整流后得到50V电压；

主功率开关电路还包括有二阶LC滤波电路和加速电路；二阶LC滤波电路由电感L1、电容C13、电感L2、电容C12构成，用于对整流后的50V电压进行滤波；加速电路由电容C9、二极管D2、电阻R15、电容C14、二极管D5、电阻R20和绕组N5，用于缩小三极管Q1、Q2从放大区进入饱和区的时间。

5.根据权利要求2所述的高精度数控电源，其特征在于：所述PWM控制电路采用TL494芯片为控制芯片，TL494芯片9、11脚为PWM信号输出端；PWM控制电路还包括电阻R1、R2、R3、R4、R7和电容C2、C3、C4；电阻R1、R2用于电压反馈；电阻R3和C2并联，用于电流反馈；电阻R4、R7和电容C3、C4用于防止开关自激。

6.根据权利要求1所述的高精度数控电源，其特征在于：所述BUCK同步降压电路包括两个MOS管Q1、Q2，两个MOS管Q1、Q2的G、S极之间分别连接有10K的电阻R1、R2；BUCK同步降压电路的输入部分包括储能电感L1，以及多个并联滤波的电容E1～E6；BUCK同步降压电路的输出部分包括储能电感L2，以及多个并联滤波的电容E7～E10。

7.根据权利要求1所述的高精度数控电源，其特征在于：所述PWM驱动电路采用IR2110芯片为控制芯片；PWM驱动电路还包括用作栅极驱动电阻的电阻R10、R15，电阻R10、R15分别并联二极管D11、D13。

8.根据权利要求1所述的高精度数控电源，其特征在于：所述采集反馈电路包括输出电压采集电路和输出电流采集电路；输出电压采集电路包括电阻R10、R11，电容C16，LM324运放组成的电压跟随器，以及线性光耦HCNR200，输出电压经过电阻R10、R11的分压及电容C16滤波后输入到电压跟随器，然后通过光耦HCNR200进行隔离后输入到STM32芯片的ADC中；输出电流采集电路包括采样电阻R14，电容C23、C24，LM324运放组成的电压跟随器，以及调理电路，输出电流经过采样电阻R14转化为电压，经过电容C23、C24滤波后，通过电压跟随器和调理电路处理后送入到STM32芯片的ADC中。

9.根据权利要求1所述的高精度数控电源，其特征在于：所述STM32处理器还连接有显示电路，显示电路采用LCD12864液晶屏。

10.根据权利要求1所述的高精度数控电源，其特征在于：所述STM32处理器还连接有按键电路和编码器；按键电路用于向STM32处理器输入调整信号，促使STM32处理器控制BUCK同步降压电路的输出电压；编码器为旋转编码开关，用于通过旋转实现对输出电压电流的设定和调节。

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