第175组科创实验报告Word下载.docx
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ABSTRACT
ThisreportincludesdetailedexplanationsofinnerworkingsoftheDC-DCswitchingpowersupply;
whichincludesthedesigningandimplementationsofitscontrolsystems,majorfunctions,requiredhardwareandsoftware.Thedesignspecifications,plusthedebuggingprocessandtesting,aswellasuserinstructionsmanualarealsoattachedinthereport.
KEYWORDS
SwitchPowerSupply;
Open-loopControl;
Closed-loopControl
目次
1.概述
1.1编写说明
此报告为大三上学期科技创新关于单片机控制DC-DC开关电源系统的设计报告。
根据第175组具体设计内容编写。
供老师及对该系统感兴趣的读者阅读。
1.2名词定义
单片机小系统:
包括CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储)、ROM(程序存储)、输入/输出设备(串行口、并行输出口等)的一块集成电路。
七段显示数码管:
abcdefg七段,通过给某些段加上驱动电压或电流来使这些段发光,从而显示相应的数字。
低通滤波器:
滤波器是指在指定频带内,使有效信号通过,同时抑制无用成分的电路。
低通滤波器是滤除指定频率以上的频率成分,保留频率在指定频率之下的波形输出的滤波器。
DC-DC:
能实现直流电压输入,直流电压输出的电路。
PWM信号:
脉冲宽度调制信号。
脉冲信号的占空比受到调制的一种信号。
占空比:
在信号的一个周期内,高电平信号所占的时间比例。
D/A转换:
数模转换,既将一个数字信号转换成一个模拟信号。
开环:
输出对输入不产生反馈作用的工作方式。
闭环:
输出对输入施加反馈作用的工作方式,在此方式下,可以使系统输出更稳定。
1.3缩略语
DC(directcurrent)直流
PWM(pulsewidthmodulation)脉冲宽度调制信号
LPF(lowpassfilter)低通滤波器
A(analog)模拟的
D(digital)数字的
2.系统总述
2.1系统组成
本系统是由单片机控制的DC-DC电压变换系统,可以根据用户的需要,将20V~30V的直流电压转换成5V~10V之间的稳定的直流电压输出。
本系统主要由DC-DC开关电源及其外围控制电路组成。
外围控制电路又分单片机小系统、控制模块和测量模块三个部分组成。
系统组成框图如图2.1所示:
图2.1闭环控制系统组成框图
2.1.1控制电路子系统
控制电路子系统主要由低通滤波器,非线性光电耦合器,和基准电压组成。
单片机产生的PWM信号经过低通滤波器滤出直流分量,相当于一个数模转换的过程。
系统中的非线性光耦起到将控制电路和DC-DC电路进行电气隔离的作用。
而基准电压起到为低通滤波器提供稳定的5V电压的作用。
子系统组成框图见图2.2:
图2.2控制电路子系统组成框图
2.1.2测量电路子系统
测量电路子系统主要由非线性光耦、AD(模数转换器)和基准电压组成。
DC-DC的输出电压经模数转换后,将编码反馈输入回单片机。
系统组成框图如图2.3所示:
图2.3测量电路子系统组成框图
2.2系统的主要功能
本系统的主要功能是根据用户的要求,在单片机的控制下,将20V~30V的直流电压转换成5V~10V之间的稳定的直流电压输出。
同时,系统具有开环控制和闭环控制(未完成)两种模式,可根据用户的喜好自行选择。
3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.1主要功能
1)将输入的不是稳定的直流电压转换成稳定的直流电压输出
2)将输入的较高的直流电压转换成较低的直流电压输出
3)是整个系统的核心部分。
3.2系统设计指标
输入电压:
20V~30V
输出电压:
5V~10V
额定输出电流:
0.2A;
限流值:
0.22A;
电压调整率:
<
=1%
电流调整率:
1%
输出纹波:
<
100mV
动态响应:
ms级
效率:
50%~70%
1.1A左右
3.3设计原理
DC-DC的设计原理图见图3.1
图3.1DC-DC变换原理图
加在开关三极管基极的脉冲宽度调制信号(PWM)经TL494产生,其波形如图3.2所示:
图3.2TL494输出的PWM信号
占空比η=τ/T和频率由TL494及其外围电路的接法控制。
该信号控制晶体管T的导通与截止,当T导通时,电容C上的电压即加在负载上的电压逐渐增大,当T截止时,C开始放电,电压逐渐减小。
VL=Vi-Vo
导通时:
△ILon=
截止时:
VL=Vo
△ILoff=
△ILon=△ILoff
Vo=
=
3.4主要部分设计及参数
3.4.1主要元件――TL494
TL494内部结构见图3.3
图3.3TL494内部结构(摘自TL494datasheet)
3.4.1.1工作原理
TL494控制是脉冲宽度调制波(PWM)的电路。
对输出脉冲的调制由控制信号与振荡器(oscillator)产生的锯齿波的比较来完成。
当锯齿波的电压比电压控制信号的电压高时,能够正常输出。
控制信号由主要由误差放大器(erroramplifier)产生。
3.4.1.2主要部分功能:
5-VReferenceRegulator
TL494内置5V参考电压的作用主要是预置电压以及建立对输出逻辑、振荡器、死区时间控制比较器和PWM比较器电压的稳定供给。
Oscillaor
TL494内置振荡器对死区时间和PWM比较器提供锯齿波,用以与不同的控制信号进行比较。
Pulse-WidthModulation(PWM)
比较器提供脉冲宽度输出的调节控制。
CT上的偏压与误差放大器上出现的控制信号进行比较。
3.4.1.3管脚定义:
Tl494的管脚图见图3.4:
图3.4TL494管脚定义图(摘自TL494datasheet)
1:
[1IN+]第一个运放的正输入端
2:
[1IN-]第一个运放的负输入端
3:
[FEEDBACK] 运放的反馈端
4:
[DTC] 死区时间控制端
5:
[CT] 内部振荡器接电容端
6:
[RT] 内部振荡器接电阻端
7:
[GND] 接地端
8:
[C1] 第一个输出三极管的集电极
9:
[E1] 第一个输出三极管的发射极
10:
[E2] 第二个输出三极管的发射极
11:
[C2] 第二个输出三极管的集电极
12:
[Vcc] 工作电源输入端
13:
[OUTPUTCTRL] 输出控制端
14:
[REF] 基准电压输出端
15:
[2IN-] 第二个运放的正输入端
16:
[2IN+] 第二个运放的负输入端
3.4.2外围电路设计
设计电路图见图3.5
图3.5DC-DC开关电源电路图
3.4.3元件参数
R1=300Ω
R2=100Ω
R3=47KΩ
R4=1000KΩ
R5=5.1KΩ
R6=5.1KΩ
R7=6.2KΩ
R8=5.1KΩ
R9=150Ω
R11=R13=5.1KΩ
R12=0~20KΩ
R14=0~1KΩ
RL=10Ω
R15=0.1Ω
C1=470μF
C3=0.001μF
C4=470μF
C5=470μF+470μF=940μF
L约2.5μH
3.4.4参数选择
1、C3(CT)、R7用于确定TL494内部振荡器的频率
将振荡频率fosc设定在100~200KHz
取C3=0.001μF,R7=6.2KΩ
实际fosc=
=161.2KHz左右。
2、R4是2、3端接的反馈电阻,与R5一起确定误差放大器的增益。
误差放大部分电路见图3.6:
设定的增益为200
取R4=1000KΩR5=5.1KΩ
增益=
=
=196.1
图3.6 误差放大器部分(摘自《DesigningSwitdhingVoltageRegulatorsWiththeTL494》)
3、R6、R9、R15用于限流保护
限流部分电路见图3.7
图3.7限流电路(摘自《DesigningSwitdhingVoltageRegulatorsWiththeTL494》)
限流值设定在1.1A左右,
根据理想运放正负两端电位近似相等的原则,认为V15=V16。
由于限流电阻两端的电压不能太大,因此取R15=0.1Ω,则V15=V16=0.11V。
V15、V16是R6、R9对5V进行分压的结果,因而取R6=5.1KΩR9=150Ω。
1
V15、V16的实际值为
=0.14V,电流为1.4A
4、C1对输入电压,C4、C5对输出电压进行滤波。
取C1=470μF
C5=470μF+470μF=940μF 滤波效果较好。
5、开关三极管Q1在低电平截止,高电平导通,R1、R2为Q1提供适当的工作点。
取R1=300Ω R2=100Ω时能够保证三极管正常工作。
6、取R8=5.1KΩ使得管脚1的电压恒定为2.5v
要求输出最小电压小于5V,最大电压大于10V,取R11=R13=5.1KΩR14为微调电阻,
当R12置a时,Vout=12.5V>
10V
当R12置b时,Vout<
5V
3.5纹波的控制
DC-DC开关电源部分的纹波中主要包含了充放电纹波和尖刺噪声,我们用了如下的方法来减小输出纹波:
1)增大电容C5
电解电容是有感电容,但在低频时,可忽略并联的小电感Lc。
2)提高开关频率。
在使用这种方法的时候,使效率有所降低。
3)增大电感L
我们在使用这种方法的时候,由于电感过大,达到了磁饱和,没有起到减小纹波的作用。
4.输出电压控制子系统的硬件设计
4.1开环控制设计与功能
4.1.1总述
开环控制是通过单片机控制DC-DC的输出电压,并在没有反馈的情况下完成。
单片机输出的PWM信号,经过滤波器滤除高频分量,并通过光耦实现光电隔离,最终控制DC-DC的输出电压。
在设计过程中,应用曲线拟合的基本方法,确定函数的表达式。
4.1.2功能
1)由单片机控制DC-DC的输出电压。
2)将单片机的输出数字信号转化成模拟信号从而控制输出电