电源作为常用的电子仪器,其本质是向电子设备提供功率的能量转换装置。随着人类社会电气化程度的增高,对电源的要求也越来越高,电源的转换效率、输出纹波噪声、体积和重量等成为提升电源性能的重要研究方向。但是,电源输出质量的提升往往是以增加系统损耗和体积为代价,本课题采用开关稳压电源和线性稳压电源的复合结构,有效的解决了电源输出性能与效率之间的矛盾,具有较强的工程应用价值和一定的学术研究意义。本文主要研究内容和成果如下:首先,对开关稳压和线性稳压电源原理和架构进行了研究,在论述分析了开关电源和线性电源优缺点的基础上,提出了一种以STM32F746为控制核心,同时兼具开关电源和线性稳压电源优点的硬件设计方案,即开关电源预调节加线性稳压后调节方案,保证了电源输出电压纹波小、效率高、重量轻等特点。并且通过跟踪电路的设计,实现了前级开关输出对后级线性稳压输出的跟踪,完成了对线性稳压部分的恒压差控制,减小了输出电压变化时线性稳压因输入输出压差增大而产生的损耗。通过仿真分析,验证了开关加线性两级联动方案的可行性。并在可调主电路设计方案的基础之上,改进完成了基于监控芯片AD7292的外围电路设计和仿真验证,如放大电路,采样电路,加法器电路等。创新采用加法器电路将AD7292的两个10位数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)组合为15位DAC,使电源系统达到了1m V可编程精度。然后,为了解决传统电源实时性较差的问题,提出了以Free RTOS实时操作系统为内核的软件方案,利用实时操作系统对系统资源进行灵活分配并对任务进行管理。同时,针对传统直流稳压电源在人机交互设计方面的不足,设计了一款由STM32F7处理器、液晶触摸屏、同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory,SDRAM)芯片、电源模块组成的可编程数字电源液晶屏触摸显示系统。液晶屏直接由STM32F7驱动,并通过可变存储控制器(Flexible Memory Controller,FMC)扩展外部SDRAM作为显存,电源模块为显示屏提供背光电压电源,并利用em Win进行图形界面设计,实验结果表明:该系统显示效果清晰,能对电源系统进行实时控制和监测显示,为触摸屏在电源领域的应用提供了参考。最后,完成了各个模块的实物调试和电源样机的制作,详细测试分析了样机的各项性能。实验证明:该电源能在0-32V和0-3A范围内可调,负载调整率低于0.5%,纹波及噪声低于1m Vrms,电压精确度达0.03%设定值±8m V,单通道最大效率可达80%,整机重量2.4kg。最终实现了一款高效率、高精度、可实时监控、低纹波、重量轻的可编程数字电源,为电源领域提供了一种新的电源设计方案。
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