多通道可编程电源的制作方法

本实用新型涉及电源领域，尤其涉及一种可编程电源。

背景技术：

可编程电源是一种传统的测试测量类仪器，应用范围非常广泛，为以下应用提供电源及功率输出，如：实验室、电子电路设计、电路故障诊断、半导体器件或电路特性验证等。

传统可编程电源工作原理如下：市电110V或220V的AC电压输入到变压器输入端，变压器是利用电磁感应原理改变交流电压的一种电磁元件，主要构件有主绕组、副绕组和磁芯组成，能提供功率传送、电压变换和绝缘，变压器输出正比于输入的交流电压给电压预调整单元，电压预调整单元是用于调整输出调整单元压降所设，能够根据DC输出电压值来粗略调整电压预调整单元的输出AC电压，将电压预调整单元的AC输出连接到整流单元AC输入，整流单元是有多个二级管元件组成的整流电路，能够将AC电压转换为DC电压输出，整流单元将DC电压输出连接到滤波单元，滤波单元是由大容量电容器构成，能够储存电量并将脉动DC电压平滑减小电压波纹，滤波单元将低纹波的DC电压给输出调整单元，输出调整单元通过改变自身阻抗将带有较大纹波的DC电压调整到稳定的更低纹波及噪声的DC电压（比如小于10mV）输出给内部的控制单元及外部的负载，控制单元为一电压监测控制电路，根据检测到的DC输出电压可输出一控制信号给输出调整单元从而改变输出调整单元的动态阻抗起到闭环控制的作用，最终在负载端得到的是经精确控制的低纹波噪声的DC电压值。

然而传统可编程电源存在一个共性问题，体积和重量过大，例如一台最大功率输出为40W的小型单通道尺寸都超过90mm(H)、100mm(W)、350mm(D)，重量超过3.5kg。由于体积和重量较大，此类可编程电源对于现场应用或需要经常移动的应用环境非常不方便。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种重量轻、输出电压稳定的多通道可编程电源。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种多通道可编程电源，包括用于将交流电压转变为直流电压的第一开关稳压模块，所述第一开关稳压模块的输出端电连接有多通道开关稳压模块，所述多通道开关稳压模块的输出端电连接有至少两个电压输出模块，所述多通道开关稳压模块与电压输出模块之间连接有主控制器模块，所述电压输出模块包括自输入端至输出端依次电连接的电压电流限制模块、功率放大模块和电压电流检测模块，所述电压电流限制模块包括电流限制运算放大器，所述电流限制运算放大器的电压控制输入端子与电流控制输入端子分别与主控制器的输出端子电连接。

进一步地，所述第一开关稳压模块包括自输入端至输出端依次电连接的桥式整流器、第一滤波器、开关变压器、整流二极管和第二滤波器。

进一步地，所述多通道开关稳压模块包括至少一个buck电路和至少一个buck boost电路。

进一步地，所述多通道开关稳压模块由两个buck电路和两个buck boost电路组成。

进一步地，所述电压输出模块有三个。

进一步地，所述电流限制运算放大器选用LT1970。

进一步地，所述第一开关稳压模块和多通道开关稳压模块之间设置有上电延时模块。

进一步地，所述第一开关稳压模块和多通道开关稳压模块之间设置有输入功率检测模块。

进一步地，所述主控制器为MCU控制器，所述主控制包括STM32F103芯片。

本实用新型的有益效果在于：多通道可编程电源，通过第一开关稳压模块将交流电压转换为直流电压，然后通过多通道开关稳压模块，输出不同的电压值，不同的电压值通过电压输出模块进行输出，替代了传统可编程电源中的变压器单元及整流单元，体积小、重量轻及效率高，设置主控制器，能够控制电压输出模块的输出功率，提高可编程电源的适用范围；第一开关稳压模块包括自输入端至输出端依次电连接的桥式整流器、第一滤波器、变压器、二极管和第二滤波器，结构简单、且电压输出稳定。

附图说明

图1为实施例1电路连接框图示意图；

图2为第一开关稳压模块电路图示意图；

图3为多通道开关稳压模块电路图示意图；

图4为buck电路电路图示意图；

图5为buck boost电路电路图示意图；

图6为第一电压输出模块电路图示意图；

图7为第二电压输出模块电路图示意图；

图8为第三电压输出模块电路图示意图；

图9为上电延时模块电路图示意图；

图10为输入功率检测模块电路图示意图；

图11为主控制器电路图示意图；

其中：1-第一开关稳压模块，101-电压检测芯片，102-隔离器，103-PWM控制器，2-多通道开关稳压模块，3-第一电压电流限制模块，4-第一功率放大模块，5-第一电压电流检测模块，6-第二电压电流限制模块，7-第二功率放大模块，8-第二电压电流检测模块，9-第三电压电流限制模块，10-第三功率放大模块，11-第三电压电流检测模块，12-隔离器，13-主控制器，14-第一电压输出模块，15-第二电压输出模块，16-第三电压输出模块，17-buck电路，18-buck boost电路，19-滤波器，20-MOSFET开关，21-功率电感，22- buck电路控制器，23-高频整流器，24- buck boost电路控制器，25-上电延时模块，26-输入功率检测模块，27-电源接反保护二极管，28- MOS管继电器，29-上电延时控制电路，30-第一电压检测电路，31-数字模拟转换器，32-第一电流检测电路，33-第二电压检测电路，34-第二电流检测电路，35-第三电压检测电路，36-第三电流检测电路。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1-11所示，一种多通道可编程电源，包括用于将交流电压转变为直流电压的第一开关稳压模块1，第一开关稳压模块1的输出端电连接有多通道开关稳压模块2，多通道开关稳压模块2的输出端电连接有至少两个电压输出模块，多通道开关稳压模块2与电压输出模块之间连接有主控制器13模块，第一开关稳压模块1和多通道开关稳压模块2之间连接有上电延时模块25，上电延时模块25和多通道开关稳压模块2之间连接有功率检测模块。

第一开关稳压模块1包括自输入端至输出端依次电连接的桥式整流器、第一滤波器19、开关变压器、整流二极管和第二滤波器19，第二滤波器19的输出端电连接有电压检测芯片101，电压检测芯片101选用TL431，电压检测芯片101通过隔离器102连接有PWM控制器103。

第一开关稳压模块1工作原理如下：AC 100V~265V从L、N输入经整流单元后变换为脉动直流电压输入到滤波单元，滤波单元对输入的电压进行平滑滤波后输入到变压器主绕组，MOSFET工作在开关状态，在变压器主绕组上会形成一种方波电压，这一能量由变压器主绕组通过磁芯传递到副绕组，副绕组感应到的脉冲电压经整流单元转换为直流电压输入到滤波单元，滤波单元对脉冲直流电压进行滤波后将得到直流电压，电压检测芯片101对输出电压进行实时采样并将偏差值通过隔离器102传递到PWM控制器103，PWM控制器103根据反馈的偏差来调整MOSFET的导通及关断时间从而形成闭环控制，最终在+Vo和-Vo之间得到稳定的DC电压输出，较传统可编程电源能够提供更宽的输入电压范围及稳定的输出电压，替代了传统可编程电源中的变压器单元及整流单元，体积小、重量轻及效率高。

上电延时模块25包括自输入端至输出端依次电连接的电源接反保护二极管27、上电延时控制电路29，电源接反保护二极管27和上电延时控制电路29之间有MOS管继电器28，上电延时模块25用于防止在输入电源接反时能有效保护后级电路不被损坏。

实现原理如下：当电源反接时，利用电源接反保护二极管27单向导电性使所加电源不构成回路，控制电路29不工作，没有有效控制信号启动MOS管继电器28使负载与电源断开，接入电源连接正确时，上电延时控制电路29会检测电压是否达到设定阈值，达到阈值时TPS3808开始按预设延时值进行延时，一旦时间到达将发出启动信号给MOS管继电器28，MOS管继电器28导通为负载供电，由于传统机械继电器体积大开关触点易老化等缺陷不适合设计目标，本实用新型不仅实现了更加完整的保护功能且无开关触点的寿命问题。

输入功率检测模块26包括一个MAX4080，输入功率检测模块26工作原理如下：输入功率检测功能通过输入功率检测模块26实现，Vout输出连接到主控制器13的DC5经降压电路后到主控制器13的DC5_Meas，电流检测使用MAX4080通过检测RS两端电压差从Cur输出转换后的电流信号给主控制器13的DC5_Cur，MCU通过测量电压电流可计算出当前输入功率，并根据固化程序做出相应控制、实现保护机制及其它功能。

多通道开关稳压模块2包括两个buck电路17和两个buck boost电路18，工作原理如下，从多通道开关稳压模块2输入的直流电压经DC-IN输入滤波器19滤波单元，滤波单元对输入的直流电压进一步滤波与储能输出连接到MOSFET开关20，在buck电路17控制器输出PWM波控制下工作在开关模式，MOSFET开关20的输出连接到功率电感21，在MOSFET开关20导通期间将电能储存，在MOSFET开关20关断期间释放电能，功率电感21的输出连接到滤波器19，滤波器19将功率电感21释放的电能进行储存及滤波后变为稳定的直流电压从+Vout输出供负载使用，高频整流器23在MOSFET开关20关断期间与功率电感21、滤波器19及负载构成回路起到续流作用，将功率电感21储存的电能释放， buck电路控制器22选用LM25085，根据Vset设定值同时检测+Vout输出的电压反馈值输出PWM波控制MOSFET开关20最终形成闭环控制，使+Vout输出稳定的直流电压。

buck boost电路18工作原理：从多通道开关稳压模块2输入的直流电压经DC-IN输入滤波器19滤波单元，滤波单元对输入的直流电压进一步滤波与储能输出连接到MOSFET开关20，在buck boost电路控制器24输出PWM波控制下工作在开关模式，MOSFET开关20的输出连接到功率电感21及高频整流器23，在MOSFET开关20导通期间将电能储存，在MOSFET开关20关断期间释放电能，高频整流器23在MOSFET开关20关断期间与功率电感21、滤波器19及负载构成回路起到续流作用，将功率电感21储存的电能释放，滤波器19将功率电感21释放的电能进行储存及滤波后变为稳定的直流电压从-Vout输出供负载使用，buck boost电路控制器24选用LTC3863，根据Vset设定值同时检测-Vout输出的电压反馈值输出PWM波控制MOSFET开关20最终形成闭环控制，使-Vout输出稳定的直流电压。

本实施例中，Buck电路控制器芯片使用LM25085，芯片自身并未提供使能/禁用控制功能，通过器件数据手册分析及实验，当RT引脚电平与地电平相等时器件将进入停止状态，这点在禁用可编程电源某通道输出时可关闭DCDC输出以达到减少能源消耗以及将自身功耗降到最低，使能/禁用由主控制器13的PEN_DC1、PEN_DC2分别对两路Buck电路17的Power_EN控制。

输出电压动态调整，根据计算机设定的电压值由主控制器13对+Vout1、+Vout2输出采样由MCU中的固化程序通过一定算法经由FB_ADJ_DC1、FB_ADJ_DC2分别对两路Buck电路17的FB_ADJ控制，经由运放OP4177对控制信号的电平转换通过电阻将控制电平与输出电压进行加法运算后反馈到LM25085的FB引脚最终实现闭环控制。

电压输出模块有三个，分别为第一电压输出模块14、第二电压输出模块15和第三电压输出模块16。

其中，电压输出模块要求输出电压及电流要有极高的稳定性及对负载的诸多保护措施，电压输出模块也是可编程电源的热源所在，由于发热量大的原因需要大面积的散热器和风扇进行散热，这也是导致传统可编程电源体积大重量重的因素之一，本实施例通过选用集成度更高的集成电路、在主控制器的控制下动态降低功率输出级功耗进而缩小散热器体积来达到优化缩小体积的目的，传统对电压、电流的小信号处理需要多片集成电路及外围器件进行设计，这将导致PCB占板面积增加，本实用新型在所有线性输出通道中使用LT1970专用放大器来设计，LT1970能根据设定的电压、电流对输出进行模拟的实时控制及响应，当输出电流的突然增加达到设定值时，LT1970将降低输出电压使输出电流维持在设定的最大值附近，这一特性可有效保护被测设备不被损坏，主控制器13可通过控制EN信号使能或禁用对应通道的输出，主控制器13同时也会检测各通道的过温、过流工作状态，主控制器13中的固化程序检测这一状态后通过一定算法再对各通道DCDC输出进行动态控制来维持输出的稳定，由于各通道输出电压不一致本实用新型对各通道的LT1970进行供电方式重新规划设计，使之分别输出正极性、负极性和正/负极性电压。

本实施例中的第一电压输出模块14工作原理如下：

电压控制，由第一电压输出模块14中的Vset设置经OP2177进行电平转换后连接到LT1970，经LT1970处理后驱动功率输出晶体管，最终电压从P_Vout输出供给被测设备、反馈到LT1970的8脚同时也会经由第一电压检测电路30的电平转换电路反馈给主控制器13的P-Vmeas， 主控制器13中的固化程序通过一定算法后将数据发送到I2C总线与数字模拟转换器31相连，数字模拟转换器31将数字数据转换为模拟电压值从P_Vset输出连接到第一电压输出模块14的Vset形成闭环控制。

电流控制，由第一电压输出模块14中的Iset电压信号设定P_Vout的最大输出电流，电流值的检测通过测量第一电压电流检测模块5中的RS两端电压得到，如输出电流未超过设定值按实际设定电压输出，如输出电流达到设定值RS两端电压会直接反馈到LT1970的Sense+及Sense-引脚，这时LT1970内部保护机制动作将降低输出电压直到输出电流维持在设定最大电流值附近，同时第一电流检测电路32将测量到的电流值转换为电压连接到主控制器13中的P_Imeas由主控制器13中的固化程序通过一定算法后控制对应DCDC输出电压及通道工作状态的LED指示。

功率输出，通常的功率输出仅使用功率晶体管即可，但在可编程电源中往往不能达到设计的目标参数，会出现输出噪声大、电压下降过慢达到上百ms等问题，通过设计并添加二极管、电容等器件能够改善输出电压下降沿到us级并减小输出噪声，同时使快速电压跳变时保持输出平稳变化。

电流检测，电流检测的挑战在于输出电压包含地电位，及共模电压范围较大，多数检流放大器不太适合本电路，从共模电压范围、封装尺寸、输出信号范围、成本等多方面考虑，选用LT6105用于电流测量，与其它器件不同点在于LT6105可采用双电源供电是准确测量地电位附近电流的必要条件，且以地为参考点时能够输出更为精确的电压信号不至于在AD转换时丢失有效位使最终的测量误差超出范围。

第二电压输出模块15工作原理如下：

电压控制，由第二电压输出模块15中的Vset设置经OP4177进行电平转换后连接到LT1970，经LT1970处理后驱动功率输出晶体管，最终电压从NP_Vout输出供给被测设备、反馈到LT1970的8脚同时也会经由第二电压检测电路33的电平转换电路反馈给主控制器13的NP-Vmeas， 主控制器13中的固化程序通过一定算法后将数据发送到I2C总线与数字模拟转换器31相连，数字模拟转换器31将数字数据转换为模拟电压值从NP_Vset输出连接到第二电压输出模块15的Vset形成闭环控制。

电流控制，由第二电压输出模块15中的Iset电压信号设定NP_Vout的最大输出电流，电流值的检测通过测量第二电压电流检测模块8中的RS两端电压得到，如输出电流未超过设定值按实际设定电压输出，如输出电流达到设定值RS两端电压会直接反馈到LT1970的Sense+及Sense-引脚，这时LT1970内部保护机制动作将降低输出电压直到输出电流维持在设定最大电流值附近，同时第二电流检测电路34将测量到的电流值转换为电压连接到主控制器13中的NP_Imeas由主控制器13接口中的固化程序通过一定算法后控制对应DCDC输出电压及通道工作状态的LED指示。

功率输出，通常的功率输出仅使用功率晶体管即可，但在可编程电源中往往不能达到设计的目标参数，会出现输出噪声大，通过设计并添加电容等器件能够有效减小输出电压的噪声。

电流检测，电流检测的挑战在于输出是双向的且共模电压范围较大，检流放大器通常用于单向电流测量不太适合本电路，从共模电压范围、输出信号范围等多方面考虑，选用AMP04用于电流测量，它可以在以参考点为中心输出高于或低于参考点的正电压方便与主控制器13接口连接。

第三电压输出模块16工作原理如下：

电压控制，由第三电压输出模块16中的Vset设置经OP4177进行电平转换后连接到LT1970，经LT1970处理后驱动功率输出晶体管，最终电压从N_Vout输出供给被测设备、反馈到LT1970的8脚同时也会经由第三电压检测电路35的电平转换电路反馈给主控制器13的N-Vmeas， 主控制器13接口中的固化程序通过一定算法后将数据发送到I2C总线与数字模拟转换器31相连，数字模拟转换器31将数字数据转换为模拟电压值从N_Vset输出连接到第三电压输出模块16的Vset形成闭环控制。

电流控制，由第三电压输出模块16中的Iset电压信号设定N_Vout的最大输出电流，电流值的检测通过测量第三电压电流检测模块11中的RS两端电压得到，如输出电流未超过设定值按实际设定电压输出，如输出电流达到设定值RS两端电压会直接反馈到LT1970的Sense+及Sense-引脚，这时LT1970内部保护机制动作将降低输出电压直到输出电流维持在设定最大电流值附近，同时第三电流检测电路36电流检测电路将测量到的电流值转换为电压连接到主控制器13中的N_Imeas，由主控制器13接口中的固化程序通过一定算法后控制对应DCDC输出电压及通道工作状态的LED指示。

功率输出，通常的功率输出仅使用功率晶体管即可，但在可编程电源中往往不能达到设计的目标参数，会出现输出噪声大、电压上升过慢达到上百ms等问题，通过设计并添加二极管、电容等器件能够改善输出电压上升沿到us级并减小输出噪声，同时使快速电压跳变时保持输出平稳变化。

电流检测，电流检测的挑战在于输出电压包含地电位，及共模电压范围较大，多数检流放大器不太适合本电路，从共模电压范围、封装尺寸、输出信号范围、成本等多方面考虑，选用LT6105用于电流测量，与其它器件不同点在于LT6105可采用双电源供电是准确测量地电位附近电流的必要条件，且以地为参考点时能够输出更为精确的电压信号不至于在AD转换时丢失有效位使最终的测量误差超出范围。

本实施例中的主控制器13选用MCU控制器，主控制器13为可编程电源提供了与计算机连接通讯方式、接收由计算机发送的控制数据并根据控制数据改变相关电路的工作状态、发送可编程电源的工作状态及数据到计算机、状态的LED指示、功率检测、对多通道DCDC的控制及检测、对线性输出通道的控制及检测、对可编程电源温度的检测及风扇控制、保护可编程电源在极端工作状态下不被损坏及对被测设备的保护等功能，可编程电源与计算机的通讯接口采用隔离通讯方式防止由于被测设备或其它原因形成接地环路造成损坏，通讯方式使用USB转UART方式，主控制器13部分的工作除了对当前DAC、运算放大器、通讯接口等的硬件组合外主要从固件中体现这里不做介绍，MCU型号使用STM32F103，通讯隔离器12使用ISO7221，DAC使用MCP4728。

本实施例的工作电压AC 100V~265V从AC_IN输入第一开关稳压模块1，第一开关稳压模块1将交流转换为低压直流输出连接到多通道开关稳压模块2，多通道开关稳压模块2根据主控制器13的设定值将输入的直流电压转换为特定的直流电压为第一电压电流限制模块3、第二电压电流限制模块6、第三电压电流限制模块9供电，同时将电压反馈给主控制器13，主控制器13根据反馈数据改变电压设置从而形成闭环控制。

第一电压电流限制模块3实现线性输出电压、电流闭环小信号的控制与驱动第一功率放大模块4，根据主控制器13的电压电流设置信号由第一电压电流限制模块3对第一功率放大模块4进行驱动，第一功率放大模块4对电压、电流进行放大后输出连接到第一电压电流检测模块5，第一电压电流检测模块5对输出电压、电流进行实时监测并反馈给第一电压电流限制模块3和主控制器13的同时连接到可编程电源的输出连接器，由第一电压电流限制模块3、第一功率放大模块4第一电压电流检测模块5组成第一电压输出模块14正电压输出通道，

第二电压电流限制模块6实现线性输出电压、电流闭环小信号的控制与驱动第二功率放大模块7，根据主控制器13的电压电流设置信号由第二电压电流限制模块6对第二功率放大模块7进行驱动，第二功率放大模块7对电压、电流进行放大后输出连接到第二电压电流检测模块8，第二电压电流检测模块8对输出电压、电流进行实时监测并反馈给第二电压电流限制模块6和主控制器13的同时连接到可编程电源的输出连接器，由第二电压电流限制模块6第二功率放大模块7第二电压电流检测模块8组成第二电压输出模块15正负电压输出通道。

第三电压电流限制模块9实现线性输出电压、电流闭环小信号的控制与驱动第三功率放大模块10，根据主控制器13的电压电流设置信号由第三电压电流限制模块9对第三功率放大模块10进行驱动，第三功率放大模块10对电压、电流进行放大后输出连接到第三电压电流检测模块11，第三电压电流检测模块11对输出电压、电流进行实时监测并反馈给第三电压电流限制模块9和主控制器13的同时连接到可编程电源的输出连接器，由第三电压电流限制模块9第三功率放大模块10、第三电压电流检测模块11组成第三电压输出模块16负电压输出通道。

通讯隔离器12是用于可编程电源与计算机USB接口连接时的通讯隔离，起到保护双方不被电气接地参考点不同导致的环路电流及电压差造成的互相伤害导致故障发生。

主控制器13是可编程电源控制的核心，负责对多通道开关稳压模块2的使能、禁用、各通道输出电压设定、各通道输出电压监控，负责对第一电压输出模块14的使能、禁用、输出电压设定、输出电压监控，负责对第二电压输出模块15的使能、禁用、输出电压设定、输出电压监控，负责对第三电压输出模块16的使能、禁用、输出电压设定、输出电压监控，负责与计算机连接通讯，接收计算机发送的控制数据并按照定义功能作出相应响应，将可编程电源工作状态发送到计算机，通过计算机编程控制及读取可编程电源的输出电压、电流、使能、禁用等一系列功能。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。