初识数控电源的设计思路

Posted 2022-11-24 泰勒展开氏

初识数控电源的设计思路

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本周题目:基本目标是做一个数控电源，有数显电压，电流，能远程监控，精度可调。

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任务给出后看到很多同学一头雾水，故写一篇设计思路以帮助同学们快速学习需要的知识。

首先分析题目：顾名思义，数控电源就是由数字信号控制的电源。

• 要求一：数显。数码管、LCD、墨水屏......没啥可讲就不展开了。
• 要求二：电压、电流。意味着你需要ADC模数转换，以计算电压和电流然后用显示的技术显示结果。
• 要求三：远程监控。显然这要求你制作无线传输功能，可选方案很多下面细讲。
• 要求四：精度可调。这个可调当然指人工任意调整、远程调整，也可以引申出自动调整的意思。

首先这是一个数控电源自然要有集成数字电路作为主控（系统的大脑），像单片机，DDS，FPGA或者树莓派，arduino等极客玩具都可以做。

人光有头脑可不够，现在我们需要给数控主控添加干活的手和脚。需要会跑的腿还是会飞的翅膀让我们倒回去看要求。

• 要求一：数显。

数码管够用吗？够，完全够用。8pin一个位，连续扫描16pin就能有8个位，显示精度还是可以的，亮度也高。觉得接线麻烦的话，可以选择LCD1602，位数更多还是两行。

• 要求二：测量电压、电流。

ADC转换芯片：假设我们已经做好了一个电源，电源正在工作，我们如何得知这个电源是否工作正常，输出电压多少？电流又是多少？你可能会说：用万用表量。

那么ADC模数转换就能将模拟的电压信号转换成0101组成的数字电平信号，这个ADC就是主控的万用表。

其他方案：连续分压-运放电路，这是人工拿单片机模拟一个ADC芯片，受工艺限制，精度感人，建议没事做可以玩玩，不建议拿来做数控电源。

常用/经典ADC芯片：ADC08xx系列、ADS1xxx系列、AD770x系列等。

最新：这方面最强的公司现在是ADI，然后是电赛大老板TI，感兴趣的同学可以自行去这些公司的官网查找。

• 要求三：远程监控。

想要远程，那必须有能无线传输的东西，推荐大家直接使用模块，因为我不推荐你现在去学微波与无线技术然后用拍脑门的方式写一个通信协议。

选择什么模块你就请看下面这张图吧，推荐蓝牙或者wifi，选好就去找工厂拿样吧。

不推荐的方案：不会有人不会调制解调、天线设计、阻抗匹配吧，不会吧不会吧？（：我

                         红外传输也算远程，这比天线简单，不过也不建议，距离不够远使用也不方便。

• 要求四：精度可调。

我们一直没有讨论如何输出可控的、高精度的电压或电流，我们将在这里讨论。

题目没有给出输入要求，有可能是输入市电220V50Hz交流电，也可能是给你一块大电池，不过区别不是很大，市电的话注意一下输入输出的隔离。咱们只讨论输入直流输出直流，其他的思路是一致的。

从简单的开始：我们都再模电中学过三极管相当于一个可控的水龙头开关，我们可以画一个简单的仿真电路如下：

当v1输入合适大小的正弦波，则示波器也会检测到一个被放大的波形，如果我们把信号源改成一个可控的电压源、示波器换成电压表:

一个可控的电源诞生了，我们注意到主控并不能充当一个可控的电压源，这时候我们需要DAC数模转换芯片。

你大概会问：为什么不用DAC输出，当作电源输出呢？

这是因为芯片的输出的电流是有上限的，当接的负载太大时，DAC就没办法提供足够的电压。所以我们需要用一个中间级作为杠杆，让我们可以用小小的电压撬动大大的电流。

DAC接三极管的方式固然可以做电源，但这种方式相当于一个可变电阻，损耗大，发热严重，也会影响精度。所以我们要寻找其他方法：

如何更高效的输出想要的电压？回想一下我们做DCDC开关电源的方式：

用buck、boost、buck-boost或者四开关buck-boost的结构将直流斩成交流再整流滤波输出想要的电压，这种方式效率是优于线性稳压的。

那么我们可以用主控去模仿这一种结构，主控io输出矩形波使三极管工作在饱和区和截至区，后接整流滤波电路，这样转换电路的效率就大大提高了（PWM调制）。

如果需要更高的精度，可以使用线性稳压的方式使输出更加平滑，当然前面的滤波也必须做好。

总结：