瑞萨杯2013电子设计竞赛设计报告Word文档下载推荐.doc
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目录
1.设计任务与要求 3
1.1设计任务（见附1） 3
1.2设计要求（见附1） 3
1.3题目分析 3
2.方案的比较与论证 3
2.1主电路方案的提出比较与选择 3
2.2方案选择：
4
2.3方案论证：
5
2.4具体方案的确立 5
3.系统硬件设计与元器件选择 6
3.1系统的总体设计 6
3.2各个电路模块的设计 6
4.系统软件设计 10
4.1程序总体流程图 11
4.2功能模块的流程图 12
5.系统测试 12
5.1系统调试的方案（方法） 12
5.2系统测试仪器 12
5.3测试结果 13
6.系统电路存在的不足和改进的方向与结论 14
7.附录 15
7.1附录1设计任务 15
7.2附录2主电路原理图 16
7.3附录3部分程序清单 17
7.4附录4元器件清单 22
7.5附录5参考文献 22
1.设计任务与要求
1.1设计任务（见附1）
1.2设计要求（见附1）
1.3题目分析
开关电源电路是电力电子电路中的一种，被广泛应用在小功率及各种电子设备领域，顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源，对于AC/DC电路，主要控制对象是电压和电流。
本题目要求通过变压器和AC-DC变换电路实现将单相工频交流电转换为稳定在36V的直流电压输出。
题目难点是在保证输出电压基本不变的前提下实现输出电流在一定的范围内变化，以及输入端电压在一定范围内波动时，保证输出电压稳定。
2.方案的比较与论证
2.1主电路方案的提出比较与选择
方案一:
图1单相全桥电路
直接采用单相全桥pwm控制电路。
如图1所示，在整流运行状态下，当Us>
0时，有V2，VD4，VD1，Ls和V3，VD1，VD4，Ls分别组成了两个升压斩波电路。
以包含V2的升压斩波电路为例，当V2导通时，Us通过V2，VD4向Ls储能，当V2关断时，Ls中储存的能量通过VD1，VD4向直流侧电容C充电。
当Us<
0时，有V1，VD3，VD2Ls和V4，VD2，VD3，Ls分别组成了两个升压斩波电路，工作原理和Us>
0时类似。
因为电路按升压斩波电路工作，所以如果控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对电力半导体器件形成威胁。
可以看出电压型PWM整流电路是升压型整流电路，满足题目要求。
将输出电压采集回DSP比较后根据比较结果调节其PWM控制以使输出电压维持稳定。
方案二：
经过二极管整流桥将24V正弦波整流，然后经由BOOST电路升压到36V，主电路流程图如下：
图2 方案二流程图
通过对负载的电压电流的采集，送到主控芯片，经过PID调节算法达到输出合适的PWM波，实现闭环控制，使电压电流达到额定。
1
2
2.1
方案一中程序设计复杂，需要用到四路PWM波形来控制开关管，输出电压计算不方便控制难度大。
由于其电路即可升压也可降压，控制不当即可引起器件的损坏，难度大。
对于间接电流控制动态性能差，而直接电流控制结构比较繁琐。
方案二电路结构简单，原理清晰，易于控制所以选择方案二。
图3主电路原理图
本系统是由一个变压器变压之后串联由二极管构成整流电路，再串联BOOST电路后接负载，通过控制PWM波的占空比即可控制负载的电压达到基本要求。
由BOOST电路公式，在电流连续下Vout=1/（1-a）*Vin,（注：
a为PWM波的占空比），可见只要选择合适的占空比的PWM波，就可以得到想要结果，在经过PID闭环调节，就可以进行精确的控制。
2.4具体方案的确立
根据选定的主电路方案，设计本系统的功能图模块，如下：
图4系统整体流程
针对本系统，进行分模块的设计，选用合适的方案。
3.系统硬件设计与元器件选择
3.1系统的总体设计
设计思想：
本系统是AC-DC的变换电路，有很广泛的应用，对认识和掌握AC-DC的相电路有很大意义。
可直接接入工频电源的稳压供电尽量采用简洁可靠的软硬件环境，程序流程力求简单明了，从而充分利用现有资源，提高系统开发水平。
系统硬件电路模块化，便于硬件测试和电路查询。
系统程序设计模块化，便于系统功能的各种组合和修改。
设计步骤：
1.分析系统要求，题目要求将220v交流电经变压器变压后经过电路输出36v电压，所以主电路应该包括整流模块与电压变换模块。
2.由于要求输出电压在负载变化时基本保持不变，在输入电压变化时也基本保持不变，故引入测量反馈电路。
通过电压传感器和电流传感器对输出电压电流检测，经过主控芯片将输出采样的电压与36v比较根据比较结果来控制boost电路，以此来使输出电压稳定。
3.由于要求额定电流2A，所以电路要有保护电路装置。
设计合适的保护电路，
4.主控芯片，各种传感器，和各种芯片需要供电电源，但是由于要求中并没有提供所以要从提供的24V交流源获取所需的电源，要设计合适的电源模块。
3.2各个电路模块的设计
整流模块：
为尽量是控制简单化，整流模块直接采用不可控的二极管来整流。
减轻了主控的的负担。
图5整流电路模块
Boost电路模块：
图6Boost电路模块
在电流连续的情况下有下式：
，其中=24v
为了使电流连续并获得较好的效果，boost电路的参数选取如下：
L1=700uH,C2=330vF
驱动模块
驱动MOSFET电压需要15v左右，而主控芯片的输出电压达不到，为了能成功驱动MOSFET需要加装驱动电路来对输出电压进行放大。
由于集成芯片的性能良好，设计更加优良，而且有输入输出隔离比较适合使用，综合考虑选用A3120。
该芯片是专门的IGBT的驱动芯片，芯片内部具有光电隔离，对输入和输出有隔离作用，这样不会对钱电路有影响。
驱动模块的设计原理图如下：
图7驱动电路原理图
辅助电源模块：
由于芯片的工作需要直流电源，但是并没有提供可用的直流源，所以购买成品电源模块，直接从220V电源出获取，以便让芯片正常工作。
选用220V转直流模块JSJ55-A2T0515，提供稳定的直流供给芯片，使得芯片正常工作。
过流保护：
方案一
用熔断丝，当电流多大熔断保护电路。
但是要求过流2.5A±
0.3A时过流保护，熔断丝不能达到精确要求。
方案不可用。
方案二
采用三极管的开关特性，用耐流大的三极管接到主电路，主控电路上电初始化将三极管导通使电路接通，当监测到过流主控发出信号将三极管关断，使之达到保护的作用。
方案有可行行。
方案三
在方案二的基础上改进，采用继电器jw2sn-dc12v。
将常闭开关接入主电路，继电器电源正端经三极管后接入地端，三极管基极接入主控芯片I/O口，主控芯片上电复位初始化使三极管处于关断状态，继电器不动作，主控芯片实时监测当前流过负载的电流，判断是否有过流，一旦过流，主控芯片使I/O电平变化导通三极管，使得继电器动作，将常闭开关断开，从而切断主电路，达到过流保护的作用。
方案的可行性高，即可采用，过流保护的电路原理如如下：
图8过流保护原理图
功率因数调整电路：
通过电压和电流传感器采集电源侧电压，负载侧电流，用编程方法计算相位差，经由PID调节，控制PWM占空比，实现功率因数的调整。
原理图如下：
图9功率因数矫正的仿真原理图
电压电流测量电路：
对于输出负载与输入的电压电流测量采用电压传感器VSM025A与电流传感器CSM005A。
传感模块的引脚图如下：
图10VSM025A引脚图
图11CSM005A传感器引脚图
对于VSM025A是，，，将输出端M接到ADC采样，通过算法转换即可得到当前负载电压。
对于CSM005A，使用其匝数比5:
1000，原边额定输入5A，副边额定输出25mA，由于ADC采集的是电压信号，所以需要在其输出端接100Ω电阻到地，然后将输出端M送到ADC采样，通过算法将当前的电流计算出来。
由于不希望传感器输出的信号受到后级电路的影响，需要对信号进行隔离，可采用运放接成信号跟随器，将信号进行隔离，运放可采用具有双运放的LM358，隔离电路原理图如下：
主电路设计
由于将电路已经模块化，系统的组成即是各个模块的拼接，主电路即为负责进行电压的变换。
整个系统的综合设计图
系统原理图见附录2.
提高效率的方法
1.尽量选用低开关损耗的开关管；
2.PWM波的频率要用合适的频率，太高在开关管上就会造成损耗加大；
3.整流桥要用压降小的二极管；
4.电路设计要合理不要冗余；
5.提高功率因数，减小电源侧无功功率；
6.其他方法等。
4.系统软件设计
TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。
该芯片兼容TMS320LF2407指令系统最高可在150MHz主频下工作，并带有18K×
8位0等待周期片上SRAM
和128k×
16位片上FLASH（存取时间36ns）。
其片上外设主要包括2×
8路12位ADC（最快80ns转换时间）、带有两个事件管理
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