DCDC开关电源及其控制系统第11组设计报告.docx
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DCDC开关电源及其控制系统第11组设计报告
摘要：
本文分模块详细阐述了降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计，可实现20~30V输入5~10V输出，开/闭环控制误差范围均在±0.05V以内。
该系统以TL494为核心，单片机通过输出PWM信号控制开关三极管的通断，从而达到控制输出电压的目的，而ADC则对输出信号进行转换并反馈给单片机分析处理，形成闭环系统。
此外，还简要介绍了基于相似原理设计的升压型DC-DC开关电源。
关键词：
开关电源，单片机，闭环控制，自动拟合，低通滤波器，模数转换
ABSTRACT
ThisPaperparticularlypresentsthedesignofeachmoduleofvoltage-decreaseswitchmodeDC-DCconvertorwithitscontrolandfeedbackcircuits.Ithasaninputvoltageof20~30Vandanoutputof5~10V,whiletheerrorsoftheopened-loopandclosed-loopcontrolarebothrestrictedwithin±0.05V.ThistypeofpowersupplyusesTL494asitscoreelement.TheMCSdominatestheconnectionanddisconnectionoftheswitchaudionthroughtheoutputofPWMsignal,inordertocontroltheoutputvoltage.Moreover,theADCconvertstheoutputsignalandfeedbacktoMCS,whichcanthenanalyseanddealwithit.Furthermore,thevoltage-increaseswitchmodeDC-DCconvertor,whichisbasedonthesimilarprinciple,isalsobrieflyintroducedhere.
KEYWORDS
SwitchModePowerSupply,MCS,Closed-LoopControl,AutomaticFit,LPF,ADC
1.概述
1.1编写说明
本篇报告为上海交通大学04级电子信息与电气工程学院电子系学生大三第一学期科技创新课程的设计报告，其中详细阐述了有关DC-DC开关电源的硬件与软件设计、开发环境、功能指标以及测试分析方法，旨在全面记录本实验小组的设计思路和操作过程，总结经验与心得体会，供指导老师在检查评分时参考，亦可作为与同学交流沟通的书面材料。
本文适合电子相关专业人士以及有一定理论基础的业余电子设计爱好者阅读。
1.2名词定义
●开关式稳压电源：
采用开关三极管控制的直流稳压电源，可通过调节占空比控制电压输出。
●单片机小系统：
单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出适配器集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
与应用在个人电子计算机中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外置硬盘硬体）和节约成本。
它与其外围扩展电路的总和称为单片机小系统。
●开环控制：
被控制量（输出量）对控制量（输入量）没有影响，即被控制量只能受控于控制量，而对控制量无反作用。
[1]
●闭环控制：
基于负反馈（输入量与反馈量相减）基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，也称反馈控制。
[1]
●标定占空比：
自动拟合模式下，以电压为基准点，系统对应该电压值输出PWM波的占空比。
●电气隔离：
两部分支路无电气上的直接联系，使相互间的干扰降到最小。
●模数转换：
将模拟信号转化为数字信号。
●占空比：
方波信号一个周期内高电平所占的比例。
●过流保护：
设定系统电流上限，防止功耗过大，导致元件损坏。
●开关频率：
开关电源中，开关管导通的频率。
●电压调整率：
输入电压变化时，输出电压变化幅度与输入电压变化幅度的比值。
●纹波：
叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号。
1.3缩略语
DC（directcurrent）：
直流
PWM（Pulse-WidthModulation）：
脉宽调制
ADC（analogdigital）：
模拟-数字转换
LPF（low-passfilter）：
低通滤波器
2.系统总述
2.1系统组成
图2.1系统组成示意图
本次实验内容包括降压型与升压型DC-DC开关电源两部分，他们分别由开关电源、电压控制、电压测量与单片机四个子系统组成，其中电压控制、电压测量与单片机子系统根据相同的原理构成（本次实验由于时间限制，我们只完成了升压型DC-DC开关电源的开关电源子系统）。
四个子系统关系如图2.1所示，单片机通过扁平电缆输出PWM波，经电压控制子系统处理，通过光电耦合器件4n25控制开关电源的输出电压；电压测量子系统同样通过4n25与开关电源子系统连接，它对输出电压进行采样并处理后经扁平电缆反馈给单片机。
2.1.1开关电源子系统
2.1.1.1降压型开关电源子系统
降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定20~30V直流电压转换为5~10V稳定可调的直流电压输出。
该子系统以TL494为核心元件，三极管Tip42为开关，通过开关的通断产生带有可控纹波的稳定电压，通过调节可调电阻即可得到5~10V的输出。
2.1.1.2升压型开关电源子系统
升压型DC-DC开关电源子系统实现了将不稳定9~14V直流电压转换为15~20V的稳定可调直流电压。
基本元件、原理与降压型DC-DC开关电源子系统相同。
2.1.2电压控制子系统：
电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，实现将单片机输出的PWM波转化为可变电压，从而对输出电压进行控制。
该子系统由整形、有源低通滤波、信号隔离变换与基准电源4个电路模块组成。
2.1.3电压测量子系统：
电压测量子系统分为基准电源、信号隔离变换、A/D转换三个模块，分别以TL431、4N25和ADC0804为核心，将采到的电压信号转化为8位数字信号反馈给单片机处理。
2.1.4单片机子系统：
单片机子系统配合以上三个子系统，通过软件实现用户操作界面、开环控制，开环自动拟合以及闭环控制四项功能。
用户界面包括数码管显示与按键控制；开环控制中单片机负责计算所需电压对应的占空比，输出相应的PWM波，并可对应输入的电压数据自动进行重新计算拟合，以适应电路变化；闭环控制中单片机控制AD0809进行采样，并转换成对应的数字信号与标准值比较，然后根据差值对输出占空比进行调整。
2.2系统的主要功能
本次实验实现了降压型与升压型两种DC-DC开关电源，其主要功能如下：
●键盘与显示：
通过单片机小系统的四个按键实现人机交互，数码管可显示电压、占空比、系统当前工作方式等。
●手动调节电压输出：
降压型（升压型）开关电源子系统在单独工作的方式下，可通过手动调节可调电阻阻值，实现在输入电压20~30V（9~14V）范围内，输出5~10V（15~20V）稳定的直流电压。
●开环控制电压输出：
在系统工作状态一定的条件下，在输入电压20~30V范围内，输出用户通过按键指定的5~10V电压。
●自动拟合：
开环控制条件下，当系统状态与预设值发生少量偏移（例如可调电阻阻值改变等）时，单片机可利用用户输入的三个标定占空比，自动重新拟合V-P曲线，使系统恢复正常工作。
●闭环控制电压输出：
在输入电压20~30V范围内，系统根据反馈电压值，自动调节控制信号，输出用户通过按键指定的5~10V电压。
3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.1降压型DC-DC开关电源子系统
3.1.1主要功能与设计指标
3.1.1.1主要功能
降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定20~30V直流电压变换为5~10V稳定可调的直流电压输出。
此模块既可单独工作，也可与电压控制子系统、电压测量子系统连接，实现开环、闭环功能。
单独工作时，用户可以通过调节电压采样支路上滑动变阻器的阻值来调节输出的电压。
3.1.1.2系统设计指标
表3.1降压型DC-DC开关电源子系统设计指标[2]
项目
指标
输入直流电压
20V~30V
输出直流电压
5V~10V
额定输出电流
1A
限流值
1.1A
电压调整率
<0.5%
电流调整率
1%
输出电压纹波
100mVp-p
效率
65%
截止电流值
1.2A
3.1.2基本设计原理
图3.1降压型DC-DC开关电源原理图
该子系统的等效电路如图3.1所示。
系统通过PWM波控制三极管的通断，使电路处于导通和断路两种工作状态。
TL494产生的PWM，其波形如图3.2所示：
图3.2TL494输出的PWM波形
当PWM信号为高电平时，三极管导通，电源电压Vin对储能电感L充电，此时由于二极管两端为反向电压，因此处于截止状态，从而导致负载电阻RL两端电压上升。
当PWM信号为低电平时，三极管断开，此时二极管两端变为正向电压，处于导通状态，从而电感通过二极管放电。
使得电感中的电能不断减小，RL两端电压逐渐下降。
当三极管的导通频率足够高时，就能够使负载电阻RL两端输出电压的纹波幅度满足设计要求，从而保持输出电压的稳定。
3.1.3主要电路和参数设计
3.1.3.1核心芯片TL494
TL494的内部结构与工作原理如图3.3所示。
Vref经分压后从1IN-端输入误差放大器1（ErrorAmplifier1），输出电压的采样值从1IN+端输入。
误差放大器1将两者进行比较，当采样电压大于基准电压时，其输出端对VA进行充电，使VA的电压不断升高；当采样电压小于基准电压时，VA通过恒流源放电，从而VA的电压不断下降。
而VA的变化会引起PWM比较器（PWMComparator）判决门限的改变，使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波。
图图3.3TL494的内部结构图[3]
TL494还另外引入了两个关断条件。
一是DTC端口连接的Dead-TimeControlComparator，可防止开关管常开，保证在1个开关周期里至少有Dead-Time时间是关断的。
另一个是误差放大器2，它能起到输出过流保护的作用，输出电流采样值从2IN+端输入，原理与误差放大器1类似。
3.1.3.2
外围电路设计图
图3.4降压型DC-DC开关电源子系统电路图[3]
3.1.3.3元件参数列表
表3.2降压型开关子系统元件参数表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
C1
100μF
R3
47kΩ
R10
0.1Ω
C2
0.1μF
R4
1MΩ
R11
5.1kΩ
C3
1000pF
R5
6.8kΩ
R12
0~22kΩ
C4
470μF
R6
5.1kΩ
R13
5.1kΩ
C5
100μF
R7
6.8kΩ
R14
0~1kΩ
R1
390Ω
R8
5.1kΩ
RL
10Ω
R2
51Ω
R9
120Ω
L
1mH
3.1.3.4元件参数设计[3]
（1）工作频率的确定（C3、R7）
开关电源的工作频率（PWM波的频率，即三极管开、关的频率）是由TL494芯片5号管脚上的电容C3和6号管脚上的电阻R7决定的，他们的关系为：
增大工作频率可减小纹波幅度，但同时也会降低效率。
经过反复试验，最终确定工作频率为
（2）三极管基极电阻R1、R2的选取
适当增加与三极管基极相连的电阻R1、R2的阻值，可降低开关管饱和导通深度，降低开关状态切换速率，可减小在开关瞬间电感漏感产生的涡流引起的开关瞬间噪声，即减小纹波的毛刺，但是矛盾的是R1、R2的增大会导致系统效率的下降。
因此应该综合考虑毛刺以及效率两方面因素来确定R1、R2的取值。
试验中，只能通过多次尝试决定。
（3）输出电压采样网络的设计
图3.5误差放大器1外围电路分析[3]
由图3.3.4可以看到输出电压Vout经R11、R12、R13以及R14组成的串联分压网络分压后，从误差放大器1同相输入端输入，并与Vref经R5、R8的分压进行比较，由于放大器两输入端电势差约等于0，所以得到如下等式：
本次实验中电阻R11和R13给定为5.1kΩ。
最初我们选择R5=R8=5.1kΩ，但输出电压无法达到10V，因此将R5的阻值提高到了6.8kΩ。
（4）误差放大器反馈网络的原理
误差放大器反馈网络的参数中，R4决定误差放大器的增益倍数，从而对电压调整率造成影响，而C2和R3组成的串联支路可抑制高频增益，防止误差放大器产生自激振荡。
关于参数的计算并没有较好的方法，只能在实验中不断尝试。
（5）电流采样电阻网络的选取：
图3.6限流保护电路原理图
图3.6说明了系统限流保护的原理，若误差放大器的反相输入端电压值大于或等于正相输入端电压值，系统将进行输出过流保护。
设限流值为I，则电阻网络应满足：
其中I=1.1A，R10=0.1Ω，计算可得R6，R9的电阻值。
3.1.4专项讨论
3.1.4.1纹波的抑制[4]
抑制纹波可采取一下几种措施：
（1）增大储能电感值。
该方法效果不明显，因为电感的取值范围较小，且增大电感值易产生磁饱和现象。
（2）增大开关频率。
此方法在一定程度上可以使三极管开关切换更加频繁，从而显著降低纹波峰峰值。
但若三极管开关过于频繁，因为频率和效率是一对矛盾，就会使得效率显著下降，TL494放出大量热量。
（3）减小开关管饱和导通深度。
适当增大
，可以降低饱和导通深度，但也会降低效率。
（4）增大滤波电容
。
此方法效果不明显，且电容占用大量空间，是非常不经济的做法。
3.1.4.2效率的提高
由上述分析可知，效率与频率是一对相互制约的矛盾量，因此抑制纹波的元件参数在对效率的调节也起着至关重要的作用。
将3.1.4.1节所述措施
（1）、
（2）、（3）的相关参数向相反的方向调节就可提高效率。
3.1.4.3电感的绕制
实验初期，本组共绕制了三个电感，分别约为2.2mH、0.7mH、1.2mH，但不是出现磁饱和现象，就是纹波峰峰值过大。
最后我们先将电感的一部分固定，使磁棒仍可移动。
焊入电路后，通过调整小磁棒与铁芯的接触面积来改变电感值，同时动态观测纹波波形，直至纹波峰峰值达到要求。
本组首创的这种动态调试的方法，由于其可操作性和便利性，被众多小组采用，可供以后的科创小组参考借鉴。
3.1.5实物图
图3.7降压型DC-DC开关电源子系统实物图
3.2升压型DC-DC开关电源子系统
3.2.1主要功能与设计指标
3.2.1.1主要功能
升压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定9V~14V直流电压变换为15V~20V稳定可调的直流电压输出。
此模块即可单独工作，也可与电压控制子系统、电压测量子系统连接，实现开环、闭环功能。
本次实验中，我们只实现了他的单独工作，用户可以通过调节电压采样支路上滑动变阻器的阻值来调节输出的电压。
3.2.1.2设计指标
表3.3升压型DC-DC开关电源子系统设计指标[2]
项目
指标
输入直流电压
9V~14V
输出直流电压
15V~20V
额定输出电流
0.2A
限流值
0.22A
电压调整率
0.5%
电流调整率
1%
输出电压纹波
300mVp-p
效率
65%
3.2.2基本设计原理[5]
图3.8升压型DC-DC开关电源子系统原理图[5]
如图3.8所示，在PWM波的高电平时段，开关三极管T1导通，输入电压为储能电感L充电；在PWM波的低电平时段，开关三极管T1转为截止状态，储能电感L将感生出电动势ε，该电动势与输入电压Vin同向，叠加后的输出大于Vin电压Vo，从而实现升压输出。
同时，需要注意的是，当T1处于导通期间，负载RL上的电流必须依靠电容C4、C5来供给。
电容的储能有限，维持电流的时间不能太长。
所以，T1的开关频率不能过低，即占空比不能太大。
3.2.3主要电路和参数设计
3.2.3.1电路设计图
图3.9升压型DC-DC开关电源子系统电路图[6]
3.2.3.2元件参数列表
表3.4升压型DC-DC开关电源子系统元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
R1
180Ω
R8
10kΩ
R15
5.1kΩ
R2
51Ω
R9
150Ω
C1
100μF
R3
51kΩ
R10
0.1Ω
C2
0.01μF
R4
6MΩ
R11
20kΩ
C3
1000pF
R5
10kΩ
R12
0~22kΩ
C4
470μF
R6
5.1kΩ
R13
5.1kΩ
C5
100μF
R7
8.2kΩ
R14
0~1kΩ
L
约1mH
3.2.3.3元件参数设计
（1）电感
由于升压型DC-DC开关电源子系统的电路与降压型相比，通过电感L的电流基本不变，于是我们采用了与降压型同样的电感制作工艺和电感数值，即L=1mH。
（2）工作频率的确定（C3、R7）
工作频率直接影响纹波峰峰值和效率，相比降压型DC-DC开关电源子系统，我们适当增大了工作频率，即增大了R7值，使纹波峰峰值有效地控制在100mV以内，同时最坏情况下的效率没有减小。
（3）误差放大器反馈网络的设计
误差放大部分电路见图3.10。
图3.10误差放大器电路图[7]
我们选定R4=6MΩ，R5=10kΩ，因此增益=
=
=600，经实验验证，可满足设计要求。
3.2.4实物图
图3.11升压型DC-DC开关电源子系统实物图
4.电压控制子系统的硬件设计
4.1主要功能与设计指标
4.1.1主要功能
电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，将单片机输出的PWM波转化可变电压。
它作为单片机控制输出电压的桥梁，代替了手动调节可变电阻的过程，实现了开环控制。
4.1.2设计指标
输出电压误差绝对值≤0.05V。
4.2基本设计原理
该子系统由基准电源、整形、有源低通滤波与信号隔离变换4个模块组成。
其关系如图4.1所示。
基准电源模块对5V电源进行稳压并分压，输出4V稳定电压作为整型电路的稳压源，整型电路将单片机输出的不稳定的PWM信号整型，有源低通滤波模块将起转化为与占空比成正比的直流电流，通过信号隔离变换模块与DC-DC开关电源子系统连接，达到控制的目的。
图4.1电压控制子系统设计图
4.3主要电路和参数设计
4.3.1元件参数列表
表4.1电压控制子系统元件参数列表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
R1
10kΩ
R6
30kΩ
C2
1μF
R2
20.51kΩ
R7
30kΩ
C3
30pF
R3
100Ω
R8
100kΩ
R9
100kΩ
R4
10kΩ
C1
1μF
R10
3.9kΩ
R5
15kΩ
4.3.2基准电源模块
4.3.2.1核心器件TL431
图4.2TL431原理图[8]
由图4.2可知，TL431内部有一个2.5V基准源，接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知，只有当R端接近2.5V时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过。
使用时，应使K端电流在1~100mA范围内且VKA在2.5~36V范围内为佳。
4.3.2.2外围电路设计
图4.3基准电压模块设计图[8]
由于TL431正常工作时，R端电压约为2.5V，所以R4，R5阻值应满足
而电阻R3的选取既不能过大，也不能过小。
若R3太大，当输出电流变大时，R3上压降太大，VKA无法保持所需电压，若R3太小，会导致功耗过大，损坏元件。
本实验中取100~150Ω为佳。
4.3.3整型模块
图4.4整型模块设计图[9]
CD4011是与非门元件，以稳定的4V电压为工作电源，对输入信号进行整型。
R1、R2电阻网络对单片机子系统P1.6引脚输出的PWM信号进行分压，使高电平电压降至4V，故满足关系式：
值得注意的是，经过CD4011后，信号反相，实际占空比＝1－原占空比。
4.3.4有源低通滤波模块
图4.5有源低通滤波模块[4]
由于无源滤波器的通带放大倍数及其截止频率都随负载的变化而变化，不能满足实验的要求，因此本次实验采用了有源滤波器。
图4.5为SallenKey二阶滤波器的典型电路，其截止频率为50Hz。
因为单片机输出的PWM信号频率为500Hz，远大于截止频率，故CD4011输出的稳定PWM波通过该滤波器之后只剩下直流分量，其值约为PWM波高电平和占空比的乘积。
如图4.5，R9与C3可防止放大器自激，而R6、R7、C1及C2决定了滤波器的截至频率，一般取R6＝R7，C1＝C2，可由下式求得：
4.3.5信号隔离变换模块
图4.6信号隔离变换模块[4]
该模块以光电耦合器4N25为核心元件，它相当于一个流控电流源，实现了电压控制子系统与DC-DC开关电源子系统的信号变换传递。
如图4.6，4N25将右侧的电压信号Vin传递到左侧负载电路，对R12上流过的电流进行了分流，从而改变输出电压，同时，右侧电压控制子系统的工作不受左侧负载阻抗变化的影响，实现了电气隔离。
4.4实物图
图4.7电压控制子模块实物图
5.电压测量子系统的硬件设计
5.1主要功能与设计指标
5.1.1主要功能
该系统通过对DC-DC开关电源子系统的输出电压进行采样，并转化为数字信号，与既定值比较，自动调节控制信号，使系统输出用户通过按键所指定的5~10V电压，实现系统的闭环控制。
与开环控制相比，闭环控制可适应DC-DC开关电源子系统工作状态在一定程度内的变化，如可调电阻阻值变化，工作温度变化等。
5.1.2设计指标
输出电压误差绝对值≤0.05V
5.2基本设计原理
电压测量子系统分为基准电源、信号隔离变换及ADC三个模块，分别以TL431、4N25和ADC0804为核心。
电压信号通过信号隔离变换模块的处理，输出给ADC模块进行模数转换，而基准电源模块则提供给ADC模块稳定的参考电压，使其能保持固定的转换关系。
其中基准电源以及信号隔离变换模块与4.3.2节相同，在此不再赘述。
图5.1电压测量子系统设计图
5.3主要电路和参数设计
5.3.1元件参数列表
表5.1电压测量子系统元件参数列表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
R1
11kΩ+0~22kΩ
R5
15kΩ
R9
500Ω
R2
3.9kΩ
R6
11.25kΩ
R10
10kΩ
R3
132.2Ω
R7
2kΩ
C
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