单片机和数据采集系统的电源模块设计

开发研究与设计技术

本栏目责任编辑：谢媛媛

１引言

电源模块是单片机应用系统或数据采集系统中不可缺少的部分，但不同系统会有不同要求，本文就针对该模块的设计作些探讨。

２相关知识

设计时通常提倡采用“器件解决”途径（即尽量寻找合适电源芯片来解决难题）的指导思想，故对电源器件的了解是很必要的。为讨论方便现先给直流电源器件做个分类：

２．１按原理分类［１］

ａ）线性稳压电源

线性电源是调整管工作在放大区域的电源，它通过改变调整元件的控制信号强弱来调节其等效电阻大小，从而稳定输出电压。其特点是纹波系数小，但效率低，一般适用于小功率的电子电路。

ｂ）开关稳压电源

开关电源是调整管工作在开关状态，通过改变开关管的导通时间，来得到稳定的电压输出。其特点是纹波系数大，电磁兼容性差、但效率高，过载能力强，一般适用于大功率或要求效率高的场合。

２．２按用途分类

ａ）通用型：常用的有线性类型的稳压电源器件、

开关类型的变换电源器件；

ｂ）专用型：一些多功能的、

专门用途的电源器件。３模块设计

实际中给系统供电的一般是已经过工频整流、滤波、一次稳压的直流电源，或直接采用各种电池，故此处就不讨论这部分。

３．１方案确定

对一个需要多组电源电压的系统来说，通常有以下几个方案［２］：

１）采用一个具有多路输出的隔离型ＤＣ／ＤＣ模块；

该方案实际是一个区域的集中式供电，存在着集中式供电的一些弱点，另外也很难获得满足系统实际需求的商品化多路输出

ＤＣ／ＤＣ模块，参见图１（ａ）。

２）采用多个不同的隔离型ＤＣ／ＤＣ模块获得多组电源；

该方案最为简单，只须根据系统要求购买合适的商品化模块，然后按照制造商的规定将其安装到系统中，不需要太多设计就可达到过压、过流保护、热管理等方面的系统要求。缺点是成本过高，原因是每个模块都有独立的隔离变压器、反馈环路及其它一些相关元件，参见图１（ｂ）。

３）采用一个隔离型ＤＣ／ＤＣ

获得系统主电源，然后由系统利用多个非隔离ＤＣ／ＤＣ变换模块获得各种电源。

该方案可以获得最低的成本。由一个ＤＣ／ＤＣ转换器提供隔离及系统主电源，其它电源采用廉价的拓扑变化获得。一般来说，除主电源之外的其它辅助电源功率相对较低，且多数不需要和主电源隔离，因此实际实现起来比较容易，成本廉价，使系统成本得以优化，参见图１（ｃ）。

３．２几个关键环节的处理

１）二次稳压处理

对数字器件或稳定性要求较高的器件，通常需采用二次稳压处理。与此相关的可选用电源

器件为线性稳压源类型，常用的如三端稳压源ＣＷ７８ＸＸ，ＣＷ７９ＸＸ等，示例［３］见图２（ａ）。设计中基本都要用到二次稳压处理。

２）升降压和倒相变压处理

在系统中一般都需要设计多个电压等级，如典型的有＋／－３．３Ｖ用于微耗芯片供电；＋／－５Ｖ用于单片机ＩＣ供电；＋／－１２Ｖ或＋／－１５Ｖ则为数据采集ＡＤ芯片所用，这时就需要采用升降压办法来变换电压值大小，而用倒相方式改变电压极性。与此相关的可选用电

（下转第１７１８页）

收稿日期：２００７－０１－１２

作者简介：茶国智（１９７３－），男，云南大理人，讲师，西南交通大学２００４级光学工程在读硕士，研究方向：光电检测与信息处理。

单片机和数据采集系统的电源模块设计

茶国智

（大理学院物理与电子信息学院，云南大理６７１０００）

摘要：拥有一个优质的电源模块是使单片机应用系统或数据采集系统稳定、安全地工作的重要保障。但不同系统会有不同要求，本文就针对该模块的设计作了些探讨，并阐述了进行电源模块设计时需要掌握的一些要点，包括设计方案的确定、稳压和变压环节的处理、为获得高性能电源模块需采用的诸多特殊措施等等，希望能给需要进行电源模块设计的初学者带来有益帮助。

关键词：单片机；数据采集；电源模块；设计中图分类号：ＴＰ３０３＋．３

文献标码：Ｂ

文章编号：１００９－３０４４（２００７）０６－１１６９０－０１

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆａＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＭｏｄｕｌｅＡｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

ＣＨＡＧｕｏ－ｚｈｉ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，ＤａｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｕｎｎａｎ６７１０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ，ｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈａｔｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｏｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｈａｖｅａｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ，ｂｕｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓｈａｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ｓｏｍｅｍａｉｎｐｏｉｎｔｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎａｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｈｓｅ－ｌｅｃｔｉｎｇｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅ，ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｏｒｔａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｓｐｅｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔ，ａｎｄｓｏｏｎ，ｉｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｉｔ，ｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｇｉｖｅｈｅｌｐｔｏｇｒｅｅｎｅｒｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；Ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；Ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅ；

Ｄｅｓｉｇｎ

图１

设计方案图

多媒体技术及其应用本栏目责任编辑

：李桂瑾

份就显得十分有用。

现在我们常用的系统备份软件是Ｇｈｏｓｔ，用Ｇｈｏｓｔ做好备份以后，即使你是一个计算机的初学者，也不怕系统崩溃了，只要机器一有故障，而自己又处理不了的话，用Ｇｈｏｓｔ恢复出了问题的系统是个不错的办法。但前提是要事先做好系统分区的映像文件，另外要在ＤＯＳ下使用，对新手来说难度较大，一旦出现误操作，可能导致整个分区的数据被破坏，而且Ｇｈｏｓｔ的映像文件占用的磁盘空间也比较大。

计算机病毒就是能够通过某种途径潜伏在计算机存储介质（或程序）里，当达到某种条件时即被激活的具有对计算机资源进行破坏作用的一组程序或指令集合。计算机病毒是一个程序，一段可执行码。它们能把自身附着在各种类型的文件上。当文件被复制或从一个用户传送到另一个用户时，它们就随同文件一起蔓延开来。除复制能力外，某些计算机病毒还有其它一些共同特性：一个被污染的程序能够传送病毒载体。当你看到病毒载体似乎仅仅表现在文字和图象上时，它们可能也已毁坏了文件、再格式化了你的硬盘驱动或引发了其它类型的灾害。若是病毒并不寄生于一个污染程序，它仍然能通过占据存贮空间给你带来麻烦，并降低你的计算机的全部性能。病毒种类多种多样，病毒代码千差万别，而且新的病毒制作技术也不断涌现，因此，我们对于已知病毒可以检测、查杀，而对于新的病毒却没有未卜先知的能力，尽管这些新式病毒有某些病毒的共性，但是它采用的技术将更加复杂，更不可预见。

因此，为了保证计算机系统的稳定和重要数据不因病毒的侵蚀而丢失，我们在自己的爱机上一定要安装防病毒软件。国产的几种防病毒软件都能达到防病毒的目的，而且价格又不太高，建议大家购买正版软件，这样就可以通过网络来升级病毒库，最大限度地保护我们的计算机。

近年来，网络犯罪的递增、大量黑客网站的诞生，促使人们思考网络的安全性问题。各种网络安全工具也跟着在市场上被炒得火热。其中最受人注目的当属网络安全工具中最早成熟，也是最早产品化的网络防火墙产品了。所谓“防火墙”，是指一种将内部网和公众访问网（如Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）分开的方法，它实际上是一种隔离技术。防火墙是在两个网络通讯时执行的一种访问控制尺度，它能允许你“同意”的人和数据进入你的网络，同时将你“不同意”的人和数据拒之门外，最大限度地阻止网络中的黑客来访问你的网络，防止他们更改、拷贝、毁坏你的重要信息。防火墙对网络的安全起到了一定的保护作用，要做到防患于未然，安装网络防火墙软件是保护好机器的行之有效的一种方法。

多媒体电脑的软件的故障排除一般只需要把软件关掉然后再重新启动一下就可以了。如果这样都不能解决问题，那么就需要遵循以下的原则了。首先，看看硬件是否能否支持这个软件的运行。一般在购买的软件的外包装上面都会给出对硬件的最低要求，硬件最低要求都不能满足的，自然在运行软件时就会出现问题。其次，上互联网来查找解决办法。一般情况下，软件的问题都不是个别的，所以上互联网查找都会找到满意的答案。可是新的情况出现了，互联网上的答案不一定都是对的，有些是错的，结果有可能把系统搞坏。这时候就需要用到Ｇｈｏｓｔ将系统还原。所以，软件的故障排除和日常维护都是密不可分的。

３结束语

笔者认为，多媒体电脑的日常维护和故障排除必须从硬件和软件两个方面加强注意。上面所探讨到的，也是笔者在多年维护和故障排除中所得到的体会，希望能够给读者以借鉴。亦希望大家能够把手中的多媒体电脑用得越来越顺手。

参考文献：

［１］范文历，高志国，石大立．多媒体电脑日常维护与故障排除［Ｍ］．清华大学出版社，１１０－２００．

［２］方兴胜．等．个人多媒体电脑日常维护指南［Ｊ］．数字化生活，２００４（１）：５６．

［３］徐文兴，李丽．电脑维护三部曲［Ｊ］．维护技术，２００６（２）：２０－２６．

（上接第１６９０页）

源器件多为开关型电压变换器件，如ＭＡＸ系列电源芯片等，示例［３］见图２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）。在设计中是必定要用到升降压和倒相变压

处理的。

３．３几个方面的考虑

（１）电源功率及效率考虑

功率和效率二者是所设

计电源的质量参数，它们关联

到驱动能力，低耗设计，系统

安全运行，散热等问题。二者

的含义［１］为（在电源正常输出

时）：

!）电源功率＝输出电压

输出电流；

"）电源效率＝电源输出

的功率／进入电源的功率。

设计中要求具有一定的

过载能力。

（２）抗干扰能力：要求具有

良好的电磁兼容性，常采用的

措施如电源滤波、屏蔽与隔

离、接地等［４］；

（３）电源监测及过欠压检测功能：目的是防止电源出现故障、过压或欠压，尤其对电池供电型系统是很必要的；

（４）低耗、散热考虑。

以上功能一般可通过选用专用型电源器件得到实现，请参看相关资料［５］。

４结语

单片机应用系统或数据采集系统拥有一个优质的电源模块是其能稳定、安全工作的重要保障。本文分析了在设计电源模块时应掌握的一些要点，首先应根据系统的要求确定设计方案，文中介绍了三种常用方案；其次是稳压和变压这些关键环节的处理；最后介绍了为获得高性能电源模块需作的一些考虑等等。希望能给需进行电源模块设计的初学者带来有益帮助。

参考文献：

［１］李哲英．电子技术及其应用基础（模拟部分）［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００３：３２８－３３３．

［２］郭锥．基于单片机的膛壁温度报警系统设计［Ｄ］．南京：南京理工大学（硕士论文），２００６．

［３］林慧．智能电气阀门定位器的研究开发［Ｄ］．天津：天津大学（硕士论文），２００３．

［４］刘光斌，刘冬，姚志成．单片机系统实用抗干扰技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００３：１０８－１３８．

［５］关德新，冯文全．单片机外围器件实用手册（电源器件分册）［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，１９９８：

１－５７２．图２稳压、变压环节示例图