CN212183407U - 一种直流输出电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流输出电源，包括AC‑DC开关电源电路、功率放大电路、MCU控制电路和数模转换单元，所述功率放大电路包括功率放大器，所述AC‑DC开关电源电路的输出端与所述功率放大器的供电输入端连接，所述MCU控制电路的控制信号输出端与所述数模转换单元的输入端连接，所述数模转换单元的第一输出端与所述功率放大器的电压控制端连接，所述数模转换单元的第二输出端与所述功率放大器的电流控制端连接。本实用新型电路结构简单，采用由体积和重量较小的功率放大器搭建成的功率放大电路结合MCU控制电路对输出电压和输出电流进行调节，能够大大减小直流输出电源的体积和重量，使整机具有体积小、重量轻、移动方便的特点。

Description

一种直流输出电源

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，特别是涉及一种直流输出电源。

背景技术

随着电子设备在人们生活中不断出现，电子设备开始在人们生活中承担着越来越重要的作用，电子设备的研发速度也越来越快。在日常的测试、实验、研发过程中，电子产品和电子设备，大到冰箱、笔记本、电视机，小到数显游标卡尺、计算器等，在研制测试过程中，都需要直流输出电源提供一个稳定良好的测试环境和供电电源。随着电源技术的发展，人们对于轻便快捷、便于携带的电源有着越来越大的需求，直流输出电源也在不断往小型化的方向发展。因此，如何设计出一款既满足绝大多数测试输出电压和输出电流的需求，又能满足小型化、轻量化的直流输出电源产品，是当今电源技术应用的研究热点之一。

现有直流输出电源通常采用DC-DC开关电源电路(如Buck变换电路、Boost变换电路或Buck-Boost变换电路等)结合MCU控制电路来实现输出电压和输出电流的调节，而用于对直流输出电源的输出电压和输出电流进行调节的DC-DC开关电源电路体积大、器件较多，导致直流输出电源整体体积较大、重量偏重，不利于使用时的搬运和摆置。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题，提供了一种直流输出电源，包括AC-DC开关电源电路、功率放大电路、MCU控制电路和数模转换单元，所述功率放大电路包括功率放大器，所述AC-DC开关电源电路的输出端与所述功率放大器的供电输入端连接，所述MCU控制电路的控制信号输出端与所述数模转换单元的输入端连接，所述数模转换单元的第一输出端与所述功率放大器的电压控制端连接，所述数模转换单元的第二输出端与所述功率放大器的电流控制端连接。

优选的，还包括用于检测功率放大器的输出电流值的电流检测电路，所述电流检测电路的输入端与所述功率放大器的输出端连接，所述电流检测电路与所述MCU控制电路连接。

优选的，所述电流检测电路包括第一电阻、第二电阻、第一电子开关和电流监测芯片，所述功率放大器的输出端分别与所述第一电阻的第一端、第一电子开关的输入端和电流监测芯片的第一输入端连接，所述第二电阻的第一端分别与所述第一电阻的第二端和第一电子开关的输出端连接，所述第二电阻的第二端与所述电流监测芯片的第二输入端连接，所述第一电子开关的控制端和电流监测芯片的输出端分别与所述MCU控制电路连接。

优选的，所述电流检测电路还包括第二电子开关，所述第二电子开关为单刀双掷式电子开关，所述功率放大器的输出端与所述第二电子开关的第一输入端连接，所述第二电阻的第一端与所述第二电子开关的第二输入端连接，所述第二电子开关的输出端与所述电流监测芯片的第一输入端连接，所述第二电子开关的控制端与所述MCU控制电路连接。

优选的，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

优选的，所述电流监测芯片的型号为INA219BIDCNR。

优选的，还包括第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路，所述数模转换单元的第一输出端通过所述第一阻抗匹配电路与所述功率放大器的电压控制端连接，所述数模转换单元的第二输出端通过所述第二阻抗匹配电路与所述功率放大器的电流控制端连接。

优选的，还包括DC-DC开关电源电路和LDO降压电路，所述AC-DC开关电源电路的输出端与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接，所述DC-DC开关电源电路的输出端与所述LDO降压电路的输入端连接，所述LDO降压电路的输出端与所述MCU控制电路连接。

优选的，还包括LCD显示单元和USB模块，所述LCD显示单元和USB模块分别与所述MCU控制电路连接。

优选的，所述功率放大器的型号为OPA548T。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型电路结构简单，采用由体积和重量较小的功率放大器搭建成的功率放大电路结合MCU控制电路对输出电压和输出电流进行调节，能够大大减小直流输出电源的体积和重量，使整机具有体积小、重量轻、移动方便的特点。

2、本实用新型的电流检测电路通过设置第一电阻、第二电阻和第一电子开关，将第一电阻和第二电阻串联后串接在功率放大器的输出端和负载之间，并结合第一电子开关与第一电阻及第二电阻的特殊接线方式，能够实现在功率放大器的输出电流值较小(如输出电流值为微安级别)时，采用阻值较大的检测电阻(即第一电阻和第二电阻串联后作为检测电阻)结合电流监测芯片对功率放大器的输出电流进行检测，大大提高了电流检测精度，并在功率放大器的输出电流值较大(如输出电流为几安)时，采用阻值较小的检测电阻(即仅第二电阻作为检测电阻)结合电流监测芯片对功率放大器的输出电流进行检测，避免检测电阻两端的压降超出电流监测芯片的电压量程，提高测量的准确性，进而使电流检测电路具有较宽的电流检测范围，适用范围更广。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图；

图2是本实用新型电流检测电路的电路框图；

图3是本实用新型MCU控制电路的电路原理图；

图4是本实用新型数模转换单元的电路原理图；

图5是本实用新型第一阻抗匹配电路的电路原理图；

图6是本实用新型第二阻抗匹配电路的电路原理图；

图7是本实用新型功率放大电路的电路原理图；

图8是本实用新型电流检测电路的电路原理图；

图9是本实用新型DC-DC开关电源电路的电路原理图；

图10是本实用新型LDO降压电路的电路原理图；

图11是本实用新型USB模块的的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种直流输出电源不局限于实施例。

实施例，请参见图1所示，本实用新型的一种直流输出电源，包括AC-DC开关电源电路1、功率放大电路2、MCU控制电路3和数模转换单元4，功率放大电路2包括功率放大器U7(即功率型运算放大器)，AC-DC开关电源电路1的输出端与功率放大器U7的供电输入端连接，功率放大器U7的输出端与负载12连接，MCU控制电路3的控制信号输出端与数模转换单元4的输入端连接，数模转换单元4的第一输出端与功率放大器U7的电压控制端连接以调节功率放大器U7的输出电压，数模转换单元4的第二输出端与功率放大器U7的电流控制端连接以调节功率放大器U7的输出电流。

具体地，本实施例中，MCU控制电路3通过I² C通信与数模转换单元4进行信号传输，MCU控制电路3输出的控制信号为数字信号，通过数模转换单元4将MCU控制电路3输出的控制信号(该控制信号为对功率放大器U7的输出电压或输出电流进行调节的控制信号)转换成模拟信号后发送至功率放大器U7的电压控制端或电流控制端。

请参见图1所示，本实施例中，还包括用于检测功率放大器U7的输出电流值大小的电流检测电路5，电流检测电路5的输入端与功率放大器U7的输出端连接，电流检测电路5的输出端与负载12连接(即功率放大器U7的输出端通过电流检测电路5与负载12连接)，电流检测电路5与MCU控制电路3连接，电流检测电路5将检测结果反馈至MCU控制电路3并能接收MCU控制电路3发送过来的控制信号。

请参见图2所示，本实施例中，电流检测电路5包括第一电阻R47、第二电阻R15、第一电子开关51和电流监测芯片U4，功率放大器U7的输出端分别与第一电阻R47的第一端、第一电子开关51的输入端和电流监测芯片U4的第一输入端连接，第二电阻R15的第一端分别与第一电阻R47的第二端和第一电子开关51的输出端连接，第二电阻R15的第二端与电流监测芯片U4的第二输入端连接，第一电子开关51的控制端和电流监测芯片U4的输出端分别与MCU控制电路3连接，电流监测芯片U4的第一输入端具体为电流监测芯片U4的负极输入端，电流监测芯片U4的第二输入端具体为电流监测芯片U4的正极输入端，第二电阻R15的第二端(即直流输出电源的输出端)与负载12的一端连接以为负载12供电，负载12的另一端与信号地连接，电流监测芯片U4内部存储有第一电阻R47和第二电阻R15的阻值，电流监测芯片U4能够通过检测第二电阻R15两端的电压或第一电阻R47的第一端与第二电阻R15的第二端之间的电压，再经欧姆定律计算出功率放大器U7的输出电流值，并将检测结果反馈至MCU控制电路3。

本实施例中，当电流检测电路5检测到的功率放大器U7的输出电流值小于等于预设阈值时，MCU控制电路3发送控制信号至第一电子开关51的控制端以控制第一电子开关51断开，此时，第一电阻R47与第二电阻R15串联并串接在功率放大器U7的输出端与负载12的一端之间，电流监测芯片U4通过检测第一电阻R47的第一端与第二电阻R15的第二端之间的电压，再经欧姆定律计算出功率放大器U7的输出电流值；当电流检测电路5检测到的功率放大器U7的输出电流值大于前述预设阈值时，MCU控制电路3发送控制信号至第一电子开关51的控制端以控制第一电子开关51闭合，此时，第一电阻R47被短路，电流监测芯片U4通过检测第二电阻R15两端的电压，再经欧姆定律计算出功率放大器U7的输出电流值，从而实现在功率放大器U7的输出电流值较小(如输出电流值为微安级别)时，采用阻值较大的检测电阻(即第一电阻R47和第二电阻R15串联后作为检测电阻)结合电流监测芯片U4对功率放大器U7的输出电流进行检测，大大提高了电流检测精度，并在功率放大器U7的输出电流值较大(如输出电流为几安)时，采用阻值较小的检测电阻(即仅第二电阻R15作为检测电阻)结合电流监测芯片U4对功率放大器U7的输出电流进行检测，避免检测电阻两端的压降超出电流监测芯片U4的电压量程，提高测量的准确性，进而使电流检测电路5具有较宽的电流检测范围，适用范围更广。

请参见图2所示，本实施例中，进一步的，电流检测电路5还包括第二电子开关52，第二电子开关52为单刀双掷式电子开关，第二电子开关52的控制端与MCU控制电路3连接，功率放大器U7的输出端与第二电子开关52的第一输入端连接，第二电阻R15的第一端与第二电子开关52的第二输入端连接，第二电子开关52的输出端与电流监测芯片U4的第一输入端连接，也即，功率放大器U7的输出端和第二电阻R15的第一端分别通过第二电子开关52与电流监测芯片U4的第一输入端连接。本实施例中，当电流检测电路5检测到的功率放大器U7的输出电流值小于等于前述预设阈值时，MCU控制电路3发送控制信号至第一电子开关51的控制端以控制第一电子开关51断开的同时，MCU控制电路3还发送控制信号至第二电子开关52的控制端以控制第二电子开关52将功率放大器U7的输出端与电流监测芯片U4的第一输入端接通，使电流监测芯片U4能够检测第一电阻R47的第一端与第二电阻R15的第二端之间的电压；当电流检测电路5检测到的功率放大器U7的输出电流值大于前述预设阈值时，MCU控制电路3发送控制信号至第一电子开关51的控制端以控制第一电子开关51闭合的同时，MCU控制电路3还发送控制信号至第二电子开关52的控制端以控制第二电子开关52将第二电阻R15的第一端与电流监测芯片U4的第一输入端接通，第一电子开关51存在一定的损耗，其两端会形成一定的压降，通过第二电子开关52将第二电阻R15的第一端与电流监测芯片U4的第一输入端接通，可避免电流监测芯片U4在检测第二电阻R15两端的电压时也将第一电子开关51两端的压降计入在内，从而进一步提高测量的准确性。

本实施例中，第一电阻R47的阻值大于第二电阻R15的阻值，第一电阻能承受的功率大于4W，第二电阻能承受的功率大于1W，第一电阻R47的阻值具体为39.9Ω，第二电阻R15的阻值具体为0.1Ω，第一电子开关51和第二电子开关52均为继电器；MCU控制电路3具体通过I² C通信与电流监测芯片U4进行信号传输，电流监测芯片U4采用能够同时监测功率放大器U7的输出电流、输出电压和输出功率并将监测结果反馈至MCU控制电路3的电流/功率监测芯片，具体采用型号为INA219BIDCNR的电流/功率监测芯片；具体地，当需要监测功率放大器U7的输出电压时，MCU控制电路3发送控制信号至该电流/功率监测芯片以控制其检测第二电阻R15的第二端与信号地之间的电压(即功率放大器U7的输出电压)，并将检测结果反馈至MCU控制电路3，MCU控制电路3根据该检测结果发出相应的电压控制信号至功率放大器U7调节输出电压；当需要监测功率放大器U7的输出电流时，MCU控制电路3发送控制信号至该电流/功率监测芯片以控制其检测第二电阻R15两端的电压或第一电阻R47的第一端与第二电阻R15的第二端之间的电压，再经欧姆定律计算出功率放大器U7的输出电流值，并将检测结果反馈至MCU控制电路3，MCU控制电路3根据该检测结果发出相应的电流控制信号至功率放大器U7调节输出电流。当然，在其他实施例中，电流监测芯片U4也可以采用其他型号的芯片，具体实施方式并不以此为限。

请参见图1所示，本实施例中，还包括第一阻抗匹配电路6和第二阻抗匹配电路7，数模转换单元4的第一输出端通过第一阻抗匹配电路6与功率放大器U7的电压控制端连接，数模转换单元4的第二输出端通过第二阻抗匹配电路7与功率放大器U7的电流控制端连接。具体地，本实施例中，由于数模转换单元4输出阻抗较大，而功率放大器U7的输入阻抗较小，故通过设置第一阻抗匹配电路6和第二阻抗匹配电路7进行阻抗匹配。

请参见图1所示，本实施例中，还包括LCD显示单元10和USB模块11，LCD显示单元10和USB模块11分别与MCU控制电路3连接，LCD显示单元10用于显示直流输出电源的工作状态(如输出电压、输出电流、输出功率、第一电子开关51的状态和第二电子开关52的状态等)和人机交互界面，用户可通过该人机交互界面设定直流输出电源的输出电压、输出电流、输出功率等，上位机可通过USB模块11与MCU控制电路3连接以控制直流输出电源，还可通过USB模块11对MCU控制电路3进行软件升级。

请参见图1所示，本实施例中，还包括DC-DC开关电源电路8和LDO降压电路9，AC-DC开关电源电路1的输出端与DC-DC开关电源电路8的输入端连接，DC-DC开关电源电路8的输出端与LDO降压电路9的输入端连接，LDO降压电路9的输出端分别与MCU控制电路3、数模转换单元4、电流检测电路5、第一阻抗匹配电路6、第二阻抗匹配电路7、LCD显示单元10和USB模块11连接以为各电路或模块供电，LDO降压电路9还可对电压进行线性稳压。本实施例中，MCU控制电路3、数模转换单元4、电流检测电路5、第一阻抗匹配电路6、第二阻抗匹配电路7、LCD显示单元10和USB模块11的供电电源所需功率较小，故这里的DC-DC开关电源电路8的体积和重量并不会太大。

本实施例中，AC-DC开关电源电路1的输入端与220V交流市电连接，通过AC-DC开关电源电路1将220V交流电源降压为15V后作为功率放大器U7的输入，功率放大器U7根据MCU控制电路3发送过来的控制信号对输出电压和输出电流进行调节，实现输出电压范围为0～12V和输出电流为范围0～2A的技术指标；同时，AC-DC开关电源电路1输出的15V直流电源经过DC-DC开关电源电路8降压到7V，再通过LDO降压电路9降压到5V。本实施例中，AC-DC开关电源电路1采用高频开关电源电路，相比工频AC-DC开关电源电路1，有助于进一步减小直流输出电源的体积和重量。本实施例中，AC-DC开关电源电路1可采用现有的整流电路实现，不展开详细说明。

请参见图3所示，本实施例中，MCU控制电路3包括主控芯片U5，主控芯片U5的型号为ATMEGA2560-16AU，主控芯片U5包括100个引脚，各引脚的相应英文标注如图3所示。

请参见图4所示，本实施例中，数模转换单元4包括数模转换芯片U6，数模转换芯片U6的型号为MCP47FVB22A0T-E/ST，结合图1中的连接关系，图4中数模转换芯片U6的引脚7和8分别与图3中主控芯片U5的引脚43和44连接。

请参见图5所示，本实施例中，第一阻抗匹配电路6包括电压跟随器U9A，电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，结合图1中的连接关系，图5中电压跟随器U9A的引脚3与图4中数模转换芯片U6的引脚4连接；请参见图6所示，本实施例中，第二阻抗匹配电路7包括电压跟随器U9B，结合图1中的连接关系，图6中电压跟随器U9B的引脚5与图4中数模转换芯片U6的引脚3连接。

请参见图7所示，本实施例中，功率放大器U7的型号为OPA548T，结合图1中的连接关系，图7中功率放大器U7的引脚1(即功率放大器U7的电压控制端)与图5中电压跟随器U9A的引脚1连接，图7中功率放大器U7的引脚3(即功率放大器U7的电流控制端)与图6中电压跟随器U9B的引脚7连接；图7中功率放大器U7的引脚2通过第五电阻R28与信号地连接，图7中功率放大器U7的引脚2还通过第六电阻R29与功率放大器U7的引脚6(即功率放大器U7的输出端)连接，图7中功率放大器U7的引脚4接地，图7中功率放大器U7的引脚5(即功率放大器U7的供电输入端)与AC-DC开关电源电路1的输出端连接，图7中功率放大器U7的引脚7与图3中主控芯片U5的引脚1连接。

请参见图8所示，本实施例中，第一电子开关51和第二电子开关52采用同一继电器K4实现，继电器K4的具体型号为HF115F012-2ZS4AF(310)；结合图1中的连接关系，图8中电流监测芯片U4的引脚5和6分别与图3中主控芯片U5的引脚43和44连接；结合图2中的连接关系，图8中，继电器K4的引脚2与第一电阻R47的第一端连接，继电器K4的引脚3与第一电阻R47的第二端连接，继电器K4的引脚5与第一电阻R47的第一端连接，继电器K4的引脚6与电流监测芯片U4的引脚2连接，继电器K4的引脚7与第一电阻R47的第二端连接，电流监测芯片U4的引脚1与第二电阻R15的第二端连接。当然，在其他实施例中，第一电子开关2和第二电子开关3也可以采用两个不同的继电器，同样能实现本实用新型的目的。

请参见图8所示，本实施例中，电流检测电路5还包括第三电阻R48、第四电阻R49、三极管Q1和二极管D18，第三电阻R48的第一端与图3中主控芯片U5的引脚5连接，第三电阻R48的第二端分别与第四电阻R49的第一端和三极管Q1的基极连接，第四电阻R49的第二端和三极管Q1的发射极均与信号地连接，三极管Q1的集电极分别与二极管D18的输入端和继电器K4的引脚8连接，二极管D18的输出端和继电器K4的引脚1均与AC-DC开关电源电路1的输出端连接。当图3中主控芯片U5的引脚5输出高电平时，三极管Q1导通，继电器K4的线圈通电，继电器K4的引脚2和3断开连接(即第一电子开关51断开)，继电器K4的引脚5和6接通(即第二电子开关52将第一电阻R47的第一端与电流监测芯片U4的第一输入端接通)；当图3中主控芯片U5的引脚5输出低电平时，三极管Q1关断，继电器K4的线圈未通电，继电器K4的引脚2和3接通(即第一电子开关51闭合)，继电器K4的引脚6和7接通(即第二电子开关52将第二电阻R15的第一端与电流监测芯片U4的第一输入端接通)。

请参见图9至图10所示，图9中示出了DC-DC开关电源电路8的电路原理图，图10中示出了LDO降压电路9的电路原理图。

请参见图11所示，本实施例中，USB模块11包括USB转串口芯片U10，USB转串口芯片U10的型号为CH340G，结合图1中的连接关系，图11中USB转串口芯片U10的引脚2和3分别与图3中主控芯片U5的引脚2和3连接。

由上述对本实用新型的描述可知，相较于现有技术，本实用新型电路结构简单，采用由体积和重量较小的功率放大器搭建成的功率放大电路结合MCU控制电路对输出电压和输出电流进行调节，能够大大减小直流输出电源的体积和重量，使整机具有体积小、重量轻、移动方便的特点。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种直流输出电源，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流输出电源，其特征在于，包括AC-DC开关电源电路、功率放大电路、MCU控制电路和数模转换单元，所述功率放大电路包括功率放大器，所述AC-DC开关电源电路的输出端与所述功率放大器的供电输入端连接，所述MCU控制电路的控制信号输出端与所述数模转换单元的输入端连接，所述数模转换单元的第一输出端与所述功率放大器的电压控制端连接，所述数模转换单元的第二输出端与所述功率放大器的电流控制端连接。

2.根据权利要求1所述的直流输出电源，其特征在于，还包括用于检测功率放大器的输出电流值的电流检测电路，所述电流检测电路的输入端与所述功率放大器的输出端连接，所述电流检测电路与所述MCU控制电路连接。

3.根据权利要求2所述的直流输出电源，其特征在于，所述电流检测电路包括第一电阻、第二电阻、第一电子开关和电流监测芯片，所述功率放大器的输出端分别与所述第一电阻的第一端、第一电子开关的输入端和电流监测芯片的第一输入端连接，所述第二电阻的第一端分别与所述第一电阻的第二端和第一电子开关的输出端连接，所述第二电阻的第二端与所述电流监测芯片的第二输入端连接，所述第一电子开关的控制端和电流监测芯片的输出端分别与所述MCU控制电路连接。

4.根据权利要求3所述的直流输出电源，其特征在于，所述电流检测电路还包括第二电子开关，所述第二电子开关为单刀双掷式电子开关，所述功率放大器的输出端与所述第二电子开关的第一输入端连接，所述第二电阻的第一端与所述第二电子开关的第二输入端连接，所述第二电子开关的输出端与所述电流监测芯片的第一输入端连接，所述第二电子开关的控制端与所述MCU控制电路连接。

5.根据权利要求3所述的直流输出电源，其特征在于，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

6.根据权利要求3所述的直流输出电源，其特征在于，所述电流监测芯片的型号为INA219BIDCNR。

7.根据权利要求1所述的直流输出电源，其特征在于，还包括第一阻抗匹配电路和第二阻抗匹配电路，所述数模转换单元的第一输出端通过所述第一阻抗匹配电路与所述功率放大器的电压控制端连接，所述数模转换单元的第二输出端通过所述第二阻抗匹配电路与所述功率放大器的电流控制端连接。

8.根据权利要求1所述的直流输出电源，其特征在于，还包括DC-DC开关电源电路和LDO降压电路，所述AC-DC开关电源电路的输出端与所述DC-DC开关电源电路的输入端连接，所述DC-DC开关电源电路的输出端与所述LDO降压电路的输入端连接，所述LDO降压电路的输出端与所述MCU控制电路连接。

9.根据权利要求1所述的直流输出电源，其特征在于，还包括LCD显示单元和USB模块，所述LCD显示单元和USB模块分别与所述MCU控制电路连接。

10.根据权利要求1所述的直流输出电源，其特征在于，所述功率放大器的型号为OPA548T。

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