Abstract: At present, most of the DC power supply products on the market are fixed DC voltage output or mechanical multi-stage control voltage output, which is suitable for DC power supply of circuit boards, not suitable for performance testing of electronic products. This paper aims to design and produce a power supply product suitable for laboratory electronic product testing, based on the high power constant current source chip, which can be used as a current source or a voltage source. The three DC power supplies are independently designed and isolated from each other. The integrated circuit chip is used to optimize the power supply structure, which not only improves the precision but also reduces the volume of the product. This power supply adopts high-speed single-chip microcomputer to control the switching power supply circuit of buck and boost, which not only ensures the wide output but also effectively controls the linearity, but also ensures the high-precision output by pre-setting the output range of the power supply.

Key words: Three independent output, constant current source, switching power supply circuit

0  引言

当今世界电子技术的迅猛发展，电子产品的应用领域日趋广泛，电子设备的种类也日益猛增，而且电子设备与我们的工作、生活的联系日益密切，可任何电子设备都离不开可靠的电源。直流电源是介于市电与负载之间的电子设备，负责向负载提供优质电能，是电子工业的基础设备，当今工业生产和科研活动也都离不开电源，而且对电源的要求也越来越高^[1]。

在电子产品测试和研发过程中，我们通常会对产品的通电电路、通电电压以及静态和动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流稳压电源多数都存在输出精度和稳定性不高、输出通道比较单一、可调电压和电流范围较小等问题；在电子产品的指标测量上，传统的电源在使用上若要调整精确的电压输出，须搭配精确的显示仪表监测，使用起来非常不便。因此，如果直流电源不仅具有良好的输出精度而且还具有多路且不同的输出功能,在实验开始之前就对输出参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效^[2]。因此，直流电源今后的重要发展目标就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化和多功能化^[3]。

本电源产品是充分利用了高速单片机的高精度数据采集和处理能力来控制降压和升压的高速开关电源电路，实现直流电压源的稳定和微步迸，从而提高电源的输出精度，扩宽了电源的输出范围，开发了一款宽幅高精度三路独立可调的直流电源供应器。这款电源提供宽幅可调的三路独立输出，有效地解决在电子产品性能测试时需要多路不同要求的电源供应问题。该产品可广泛使用在便携式电子产品、家用电器、手机、笔记本电脑、车载电子产品等工业生产与维修和研发测试等工作中，市场前景非常广阔。

1  主要模块和关键技术

这款电源在后端输出部分采用闭环控制系统，完成硬件系统整体设计，包括主电路，控制电路，检测及采样电路，开关管驱动电路，辅助电源电路，以及保护电路。通过电路精准设计和工艺控制，实现输入电压220V市电，输出直流输出电压:0～64V，直流输出电流:0～6A，纹波噪音控制在10mV以内，达到宽幅高精度直流输出的目的，三路输出并联设计，电路上均独立设计，包括散热装置，有效地解决了通道之间相互干扰问题^[4]。

基于这款电源的两个通道均为大功率输出，为保证在负载变化时输出电流的稳定性，我们这款电源采用了IRFP150M大功率恒流源芯片。IRFP150M的工作原理基于MOSFET的栅极电压控制特性。当栅极电压高于阈值电压时，栅极下方的P型衬底中的空穴被排斥，形成一层薄薄的N型反型层，即沟道。这个沟道连接了源极和漏极，使得电流可以从源极通过沟道流向漏极。此时，IRFP150M处于导通状态。当栅极电压低于阈值电压时，栅极下方的P型衬底中的空穴不再被排斥，沟道消失。此时，源极和漏极之间被阻断，IRFP150M处于关断状态。IRFP150M通常采用TO-247封装，适用于大功率应用，其额定电压为100V，额定电流为42A，具有很高的功率处理能力。

根据这款电源的功率核算，CH1和CH2通道的最大功率为P=64V*6A=384W。要保证如此大功率的输出，恒流源芯片IRFP150M的应用至关重要。

控制面板的设计方案

如图1.2，直流电源的输出面板由6片8段4位数码管构成显示电源设定状态和输出状态的具体数据，5个预设按钮、6个通道按钮、1个设置选择按钮、1个3通道开关按钮和19颗发光二极管分别开关/显示电源开关、CH1-3通路选择和各自开关键及其总控制键、M1-5存储记忆组控制键和电源模式选择按键等开启/关闭信息，两块TM1640 LED驱动控制专用电路，一块74LST164是高速硅门CMOS器件，一块HEADER跳线焊盘和两个CODE SWITCH调节数值^[5]。

图1.2 直流电源控制面板电路图

关键技术---利用高速开关电源电路拓宽直流电源的输出范围

我们利用高速开关电源电路拓宽直流电源的输出范围，这是一种通过大电容的充放电的过程达到电压转换的目的的装置，即俗称的“电荷泵“泵送电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。电荷泵的具体功能就是利用电容器为储能元件，用来产生比输入电压大的输出电压，或是产生负的输出电压。电荷泵电路的转换电效率很高，可达到94%，而电路也相当的简单。在第一阶段，电容器连接到电源端，因此充电到和电源相同的电压，在第二阶段调整电路组态，使电容和电源电压串联。若不考虑漏电流的效应，也假设没有负载，其输出电压会刚好输入电压的两倍（原始的电源电压加上电容器两端的电压）。较高输出电压的脉冲特性可以用输出的滤波电容器来滤波。在DC-DC电源后，2倍升压与翻转负电源，向外部提供电压源。我们用自激振荡升压型开关电源电路来实现。由于这款电源的输出电压较高，因此三极管要选择耐压较高的型号2N5551。

交流电源通过整流电路转换为直流电源，为后续的电源转换提供初始的电能，这个部分为传统的AC-DC的整流滤波电路，只需要根据我们的功率要求选择合适的元器件即可。经过整流后的直流电源，在辅助电源内部进行电源转换。使用高速开关电源电路，高效的来实现电源输出范围的拓宽。通过使用反馈控制技术，辅助电源能够实时检测输出电压的变化，并自动调整电源转换的参数，以保持输出电压的稳定。这确保了为系统其他部分提供的电能具有恒定的电压水平。这款直流电源的辅助电源具有多路输出功能，可以同时为系统中的多个部分提供不同电压和电流的工作电源。这些输出经过适当的滤波和隔离处理，以确保电能的纯净性和安全性^[6]。控制电路首先通过电压和电流传感器实时监测电源的输出电压和电流。这些传感器将电压和电流信号转换为电信号，并传递给控制电路进行处理。控制电路接收到电压和电流信号后，通过内部的信号处理电路对这些信号进行放大、滤波和比较等处理。然后，根据处理后的信号与预设的电压和电流参考值进行比较，产生误差信号。基于误差信号，控制电路会生成相应的脉宽调制信号。脉宽调制信号是一种数字信号，通过改变脉冲的宽度来调节电源的输出^[7]。控制电路通过调整脉宽调制信号的占空比，实现对电源输出电压和电流的精确控制。脉宽调制信号经过驱动电路后，被放大并用来驱动开关管。开关管根据脉宽调制信号的开关状态，快速切换电源的输入与输出，从而实现对电源输出电压和电流的调节。

2 电源性能测试与评估

相较于其他电源,我们这款直流电源具有更好的输出精度和稳定性。可调电压和电流范围较大，而且精度较高。CH1、CH2和CH3三通路在电压电流的设置和输出均能达到10毫伏和1毫安的精度。

稳压系数是衡量电源输出电压精度的最重要的指标之一。它反映了电源在负载变化或输入电压有波动时，输出电压保持恒定的能力。我们采用标准负载变化法和输入电压波动法进行测试。在标准负载变化测试中，我们逐步改变电源的负载，观察输出电压的变化。测试结果显示，电源在负载从0%变化到100%的过程中，输出电压变化率仅为±0.1%，显示出优异的负载调整能力^[8]。

电压输出的自调整功能反映了直流电源在不稳定的输入电压情况下的输出电压稳定程度。我们采用输出电源可调的变压器进行测试，即在负载不变的情况下，改变直流电源的输入电压，检测输出电压的变化。经过实测，直流电源在输入电压设定的变化范围内，输出电压调整率仅为±0.2%。这意味着在不同输入电压条件下，电源能够保持较为稳定的输出电压，为用户提供可靠的电能供应^[9]。

3 小结

实验表明这款直流电源在抑制纹波方面表现出色，能够连续高精度的按照用户要求来输出直流电流和直流电压，同时能显示负载电路的电流和电压。直流电源在稳压系数、电压调整率和纹波抑制比三个方面均表现出优异的性能^[10]。其具有稳定的输出电流、输出电压、良好的输出精度及适应能力和高效的纹波抑制能力。

参考文献：

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