工程实践与科技创新3A第33组设计报告.docx

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工程实践与科技创新3A第33组设计报告

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摘要：

降压型DC-DC稳压电源是一种将20~30V直流电压转化为5~10V可控输出直流稳压的直流稳压电源。

本设计报告主要详细阐述了这种稳压电源的实现过程，包括DC-DC开关电源子系统的硬件设计，电压控制子系统的硬件设计，电压测量子系统的硬件设计，单片机子系统的软件设计。

同时描述了设计与调试过程中遇到的一系列问题及其解决方案。

系统利用单片机子系统改变PWM波的占空比，来控制输出直流电压，达到开环控制的效果；同时又通过反馈电路检测输出电压，将值输入单片机子系统，达到闭环控制的效果。

此外，报告中还阐述了系统框图，系统硬件以及软件的设计和实现方法，系统的技术指标，调试分析，和针对用户操作的说明书等一系列具体方面。

关键词：

DC-DC稳压电源，开环控制，闭环控制，PWM波，占空比

ABSTRACT

ThisdesignreportamplyillustratesthedesigninganddebuggingprocessofbuckDC-DCanditscontrollingpart.ItincludesthehardwaredesignofDC-DCswitchpowerandvoltage-controlledsubsystems,andthesoftwaredesignofsinglechipsubsystem.Atthesametime,theseriesofproblemswemetintheprocessofdesigninganddebuggingarealsomentionedinthisreport.Also,therearedetailedexplanationsaboutthevariesofproblemsconcernedinthedesigningsuchasthesystemflowchart,thedesigningandrealizationofbothsystemhardwaresandsoftwares,thetechnicalindex,theanalysisofdebugging,andtheexplanationconcerningthemanipulationofusers.

KEYWORDS

DC-DCvoltage-stabilizedsource,Open-loopControl,Close-loopControl,Pulse-WidthModulation,

1.概述

1.1编写说明

本文是基于《科技创新[5]电子系统的综合设计和实践》的关于降压型DC-DC稳压电源控制系统的报告。

DC-DC稳压电源系统主要实现了将不稳定直流电压转化为稳定直流电压输出的功能。

该系统应用范围广阔，既能应用于小型设备（如各类随身听）中，又能应用于大型设备（如局用电话交换机）中。

报告中主要阐述了该系统的组成和结构、设计思路与原理、软硬件开发和检测数据结果等方面。

另外报告着重展现了我们团队分析问题和解决问题的过程，充分展示了团队协作能力和对理论（数学模型）与实际（电路）间、系统整体与局部间对立统一的关系的把握能力。

编写此报告的主要目的有：

及时总结《科技创新[5]》课程实践过程，为自己对理论和实际的联系有更深一步的联系打下基础；方便读者学会使用该系统，以便该系统能得到实际的应用；方便老师和专家对本次实践提出宝贵意见和指导。

本报告的适于有一定电路和单片机理论基础的读者阅读。

1.2名词定义

DC-DC:

能实现直流电压输入，直流电压输出的电路。

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，系统输出可以更稳定。

PWM信号：

脉冲宽度调制信号。

单片机：

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。

低通滤波器：

滤波器是指在指定频带内，使有效频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。

低通滤波器是滤除截止频率以上的高频成分，而只保留低频成分的滤波器。

光电隔离：

电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离。

A/D转换：

模数转换，既将一个模拟信号转换成一个数字信号。

1.3缩略语

PWM（pulsewidthmodulation）脉冲宽度调制信号

LPF（lowpassfilter）低通滤波器

DC（directcurrent）直流

AD（anolog,digital）模拟-数字

2.系统总述

2.1系统组成

本系统实现的是降压型DCinput-DCoutput功能。

具体的讲，本系统将输入为20～30伏特的不稳定直流电压转化为5～10伏可调的稳定直流电压。

整个系统主要由四部分构成，分别为：

DC-DC开关电源，电压控制子系统，电压测量子系统和单片机子系统。

系统组成框图如图2.1所示。

图2.1系统组成示意图[4]

2.1.1DC-DC开关电源子系统

该系统主要由开关三极管TIP42，储能电感，TL494，水泥电阻加上一些电容和电阻构成，主要实现DC-DC降压功能。

TL494通过对输出电压的采样和基准电压之间的比较，产生PWM波，从而来控制开关三级管TIP42的通断，最后通过储能电感的充放电来达到使输出电压稳定的目的。

具体组成图如图2.2所示：

图2.2DC-DC开关电源组成示意图[4]

2.1.2电压控制子系统

该系统主要由整流电路、低通滤波电路、信号转换与隔离电路三部分构成。

整流电路主要以4011和TL431构成，有源低通滤波器主要由运算放大器构成，信号转换与隔离电路主要由4N25构成。

输入为单片机产生的PWM波,输出为电压。

主要实现通过单片机输出的占空比可调PWM信号控制电压输出，进行开环控制。

电压控制子系统组成框图如图2.3所示：

图2.3电压控制子系统示意图[4]

2.1.3电压测量系统

电压测量子系统主要由光电转换与隔离电路（4N25）和A/D转换电路（ADC0804）组成。

输入为检测到的电压信号，输出为8位2进制编码，可以将检测到的电压信号模拟量转为数字量传给单片机，构成反馈系统。

电压测量子系统组成框图如图2.4所示：

图2.4电压测量子系统示意图[4]

2.1.4单片机子系统

产生PWM波，对开环进行控制；根据电压测量系统的反馈回的8位二进制编码，进行对PWM波的修正，从而使输出值达到精确。

如图2.5所示：

图2.4单片机子系统示意图[4]

2.2系统的主要功能

1.降压功能。

输入为20～30伏的不稳定直流电压，输出为5～10伏的稳定直流电压。

输出性能指标能达到：

纹波约为60mv，效率大于75％，电压调整率小于0.5％。

电压输出可调。

2.实现单片机按键可调功能。

用户可跳过DC-DC板，直接通过调节单片机按键来控制输出的直流电压值，单片机数码管上显示了当前输出电压值，达到偏差小于0.05V的性能指标。

这一功能使得系统更容易操作，也方便用户使用。

3.自动检测功能。

反馈系统可以检测当前电压值，进而作出自动调整，使得当前输出电压更加稳定。

误差范围进一步被缩小，并且能克服温漂的影响，性能得到进一步提高。

4.实现占空比对应电压输出功能。

通过切换单片机按键，可以看到PWM波占空比与输出电压的一一对应关系，在单片机数码管上有显示。

为有兴趣于了解本系统的用户提供方便。

3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计

3.1开关电源子系统的主要功能和设计指标

该部分系统的主要功能是：

A）当20～30伏不稳定的输入直流电压，输出为5～10伏的稳定的直流电压

B）当输入电压发生变化时，输出电压稳定

设计指标：

表3.1升压型电路指标

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

3.2开关电源子系统的一般原理和逻辑框图

该子系统的工作原理是，通过TL494由比较基准参考电压和输出反馈电压，产生的PWM波来控制开关三极管TIP42的通断，从而储能电感可以进行充放电，来达到输出电压的稳定。

A）电压反馈分压网络采集输出端电压按比例得到反馈电压信号

B）TL494，将反馈电压与其中的差分放大器的基准参考电压进行电压的差分放大

C）得到的信号与TL494中生成的高频锯齿波进行比较，生成一定占空比的PWM控制信号

D）PWM信号驱动开关三极管的导通与截止。

当PWM控制信号处在低电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降小，三级管导通，此时，输入电源电压经由三级管通路对储能电感进行充电；当PWM控制信号处在高电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降大，则三级管截止，此时，储能电感充当暂时电源，通过负载和二极管回路进行放电。

PWM控制信号的占空比能够控制DC-DC开关电源子系统的输出电压值。

通过分压网络与DC-DC开关电源子系统的输出电压值呈线性关系反馈电压信号不断逼近差分放大器的基准参考电压，达到了子系统输出电压稳定的目的。

简明电路图如图3.1所示：

图3.1DC-DC开关电源子系统简明示意图[4]

3.3开关电源子系统的具体工作原理

在分析具体前，极有必要先了解下本系统的核心芯片－TL494。

图3.2TL494内部电路图[4]

图3.3TL494外部管脚图[11]

如图3.2和3.3所示，TL494主要由三部分电路构成－差分放大电路，高频震荡电路和脉冲引导触发器构成。

3.3.1输出电压与基准电压差分放大电路的工作原理

1脚外接电路主要由一个分压电路构成，主要目的是使TL494的1脚电压与输出电压成正比。

2脚同样外接一个分压电路，2脚电压由R5和R8对基准电压分压得到。

如图3.4所示，R4和R构成一个负反馈电路，反馈系数F=－。

R3和C2的作用是抑制高频增益，防止自激。

图3.4差分放大电路图[4]

3.3.2TL494生成PWM波的工作原理

如图3.6所示，5，6两脚分别接电容电阻，而在TL494内部，5，6两脚连着一个振荡器。

通过电阻和电容的取值，可以确定开关频率，应使锯齿振荡波频率较高。

如图3.5，为Vcc=15伏时，C,R和锯齿振荡波频率的关系图，所以取C=0.001μF，R=47KΩ。

图3.5电阻电容和振荡频率的关系图[11]

在图3.6中，设V1为采样电压，V2为基准分压，当V1>V2时，二极管导通，这时对VA充电（见图3.6，红线表示）；当V1

当VA波伏值大于锯齿波时，PWM比较器输出为低；当VA波伏值小于锯齿波时，PWM比较器输出为高。

这样，经过一个反相器和一个三极管放大器后，在TL494的11脚（即开关三极管的基极）可得到所满足要求的PWM波。

图3.6TL494内部产生PWM波的电路图[4]

3.3.3开关三极管TIP42在电路中的作用

开关三极管（Tip42C）的工作原理：

当PWM控制信号处在低电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降大，三级