DCDC开关电源及其控制系统第128组设计报告.docx
《DCDC开关电源及其控制系统第128组设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DCDC开关电源及其控制系统第128组设计报告.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
DCDC开关电源及其控制系统第128组设计报告
摘要：
本文档是单片机控制的DC-DC开关电源电路系统的设计报告。
整个系统由DC-DC开关电源，单片机小系统，电压控制及电压检测四个子系统组成，实现对输出电压的开环和闭环控制。
报告说明了各子系统的设计方法以及电路参数的选取，硬件的工作原理和软件的编程思想，系统测试结果，使用说明，实验心得，实物照片等。
关键词：
开关电源；脉冲宽度调制；单片机；模数转换
ABSTRACT
ThisdocumentisthedesignreportofaDC-DCswitchingpowersupplysystemcontrolledbymicrocontroller.Thewholesystem,whichconsistsofaDC-DCswitchingpowersupplysubsystem,amicrocontrollersubsystem,avoltagecontrolsubsystemandavoltagesamplingsystem,accomplishesopenloopandcloseloopcontroloftheoutputvoltage.Thisreportdetailsinthedesignmethodofeverysubsystem,hardwareprinciplesandsoftwarealgorithm,alongwiththeresultofthetestofthesystem,user’sinstructions,etc.
KEYWORDS
switchingpowersupply;PWM;microcontroller;analog-digitalconversion
1.概述
1.1编写说明
本文档是DC-DC开关电源及其控制系统的设计报告。
报告详细阐述了电路系统各部分的工作原理和设计方法，系统测试结果及有关问题的探讨。
本文适合具有对DC-DC开关电源知识和单片机知识有一定了解人员阅读参考。
1.2名词定义
脉冲宽度调制
脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
占空比
在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
模数转换
对连续的模拟量进行量化，转换为离散的编码的方法。
低通滤波器
对信号进行处理的器件。
信号通过滤波器后，只保留频率低的分量，去掉频率高的分量。
开环控制
不取输出量变化信号去控制输入量的控制方法。
闭环控制
从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量的控制方法。
单片机
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，包括CPU、内存、内部和外部总线系统。
1.3缩略语
DCdirectcurrent直流
ADanalog-digital模拟-数字
PWMpulsewidthmodulation脉冲宽度调制信号
LPFlowpassfilter低通滤波器
2.系统总述
2.1系统组成
本DC-DC开关电源及控制系统如图2-1所示。
它由DC-DC开关电源子系统、电压检测子系统、单片机子系统和电压控制子系统组成。
图2-1系统组成示意图[1]
2.1.1DC-DC开关电源子系统
DC-DC开关电源子系统将不太稳定的20-30V的DC输入电压转换为较为稳定的5-10V的可调DC电压。
它的核心元件是TL494。
2.1.2电压检测子系统
DC-DC开关电源子系统的输出电压经管光电耦合器件隔离、变换，得到的电压由AD0804进行AD转换，转换得到的二进制编码传送给单片机子系统供闭环控制时使用。
2.1.3单片机子系统
单片机子系统根据使用者的选择使系统工作于开环模式或者闭环模式。
在开环模式状态下，根据使用者设定的电压，单片机子系统输出占空比一定的方波；在闭环模式状态下，根据使用者设定的电压，单片机结合电压检测系统的二进制代码对实际输出电压进行判断，输出占空比可调的方波，使DC-DC开关电源子系统的输出电压与设定电压一致。
2.1.4电压控制子系统
电压控制子系统对单片机子系统输出的方波进行整形，滤除交流分量，通过光电耦合器件将电信号传给DC-DC开关电源子系统，使输出电压改变。
2.2系统的主要功能
本系统的主要功能是根据使用者的要求，在单片机的控制下，将20V~30V的DC电压转换成5V~10V之间的稳定的DC电压输出。
系统具有开环控制和闭环控制两种模式。
使用者通过单片机上的按键选择开环或闭环工作模式以及输出电压。
3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.1主要功能
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，将输入的较高的直流电压转换成较低的直流电压输出。
3.2系统设计指标[1]
输入电压：
20V~30V
输出电压：
5V~10V
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%
限流值：
1.1A左右
3.3设计原理[3]
DC-DC开关电源的原理可利用图3-1说明。
图3-1中，
，
为取样网络，取样电压
和基传电源提供的电压
加到误差放大器的两个输入端，误差放大器的输出反映他们之间的差值电压
，将他们接到电压比较器的反相输入端。
振荡器产生特定频率的三角波电压
，接到电压比较器的同相输入端。
当
时，比较器输出高电平，开关管饱和导通，时间为
；当
时，比较器输出低电平，开关管饱和截止，时间为
。
当
时，误差放大器输出静态电压
若某原因使
升高，相应的，
，则误差放大器电压输出增大，致使管导通时间减小，结果是阻止了
升高，达到稳压的目的。
反之亦然。
图3-1DC-DC开关电源原理图
3.4设计方案
3.4.1主要元件
本次实验采用TI公司的TL494芯片作为DC-DC开关电源的核心元件，它的内部结构如图3-2。
该芯片内部有两个误差比较器，可分别对输出电压和输出电流进行控制。
振荡器的频率由外接的电容和电阻决定。
图3-2TL494内部结构示意图[4]
芯片的管脚如图3-3。
图3-3TL494芯片管脚[4]
1：
[1IN+]第一个运放的同相输入端
2：
[1IN-]第一个运放的反相输入端
3：
[FEEDBACK] 运放反馈端
4：
[DTC] 死区控制
5：
[CT] 内部振荡器电容端
6：
[RT] 内部振荡器电阻端
7：
[GND] 接地
8：
[C1] 第一个三极管的集电极
9：
[E1] 第一个三极管的发射极
10：
[E2] 第二个三极管的发射极
11：
[C2] 第二个三极管的集电极
12：
[Vcc] 工作电源输入
13：
[OUTPUTCTRL] 输出控制
14：
[REF] 基准电压输出端
15：
[2IN-] 第二个运放的同相输入端
16：
[2IN+] 第二个运放的反相输入端
3.4.2电路设计
DC-DC开关电源子系统的电路如图3-4。
图3-4DC-DC开关电源子系统电路图
C3和R7组成RC振荡电路，其中开关频率等于1/R3*C7。
TIP42为开关三级管，TL494的8、11引脚输出方波，控制TIP42的关断。
二级管D为肖特基二极管，作为续流二极管。
R10为了0.1欧，用为电流采样，R11、R12、R13、R14组成分压网络，通过调整R12使整个分压网络控制输出电压在5-10V之间。
3.4.3元件参数选择
R1=300Ω
R2=100Ω
R3=51KΩ
R4=1MΩ
R5=5.1KΩ
R6=8.2KΩ
R7=830Ω
R8=5.1KΩ
R9=240Ω
R10=0.1Ω
R11=5.1KΩ
20KΩ=4.06KΩ
R12=0~20KΩ
R13=5.1KΩ
R14=0~100Ω
RL=10Ω
R15=0.1Ω
C1=470μF
C3=0.01μF
C4=470μF
C5=100μF+470μF=570μF
L=0.7μH
R1和R2给开关三极管提供合适的工作点，R1=300Ω，R2=100Ω开关三极管能正常工作。
C3和R7决定开关频率，选取R3=820Ω，C3=0.01μF，振荡频率
。
R4与R5决定误差放大器的增益G，取R4=1MΩR5=5.1KΩ，
。
R5和R8共同决定TL494芯片1号管脚的电压
，取R8=R5=5.1KΩ，则
。
R6，R9，R10用于限流。
选取R6=8.2KΩ，R9=240Ω，使15号管脚电压
。
3.5纹波的控制
一开始我们选取R1=180Ω，R2=51Ω，发现输出电压中毛刺过大，毛刺的峰峰值甚至是三角波峰峰值的两倍，后来将R1和R2的值增大到原来的两倍，取R1=300Ω，R2=100Ω，毛刺几乎完全消除。
我们绕制的电感实测值有0.7μH，三角波的顶部有些尖，说明再增大电感就有可能完全进入磁饱和状态。
所以我们没有增大电感。
另外，C5取值增大可以减小纹波。
当C5=100μF，输入电压30V，输出电压10V时，纹波峰峰值为116mV，当C5=100μF+470μF时，纹波峰峰值降为60mV，可见纹波得到了很好的控制，但效率略有下降。
4.电压控制子系统的硬件设计
4.1主要功能
接收单片机输出的占空比可调的方波信号，对其进行处理后去控制DC-DC的输出电压。
由于单片机的供电电源电压不稳定，因此单片机输出的方波信号是占空比η可调的不稳定5V方波信号，故首先对此波形进行整形得到稳定的4V方波信号。
而对稳定方波信号，进行有源LPF处理后就得到大小为4*ηV的直流电压信号。
直流电压信号再经过信号变换与隔离环节就能转换为控制DC-DC输出的直流电流信号，而且此环节实现了控制单元（单片机电路）和被控电路（开关电源电路）之间的电气隔离。
4.2设计原理与方案
整个子系统分为整形、有源LPF和信号变换与隔离三个模块，各个模块间的连接见图4-1。
图4-1电压控制子系统各模块的连接示意图[2]
4.2.1整形模块的设计原理与方案
4.2.1.1设计原理
整形模块的功能是将高电平不稳定的5V方波信号转换为高电平稳定的4V方波信号。
整个电路框架如图X所示。
图4-2整形电路结构图[2]
在整形电路中，以TL431为核心器件的基准电源电路输出恒定的4V电源，作为4011的供电电源。
单片机输出的SPWM1通过4011后反转成SPWM2，其中SPWM2的高电平为稳定的4V。
4.2.1.2设计方案
4.2.1.2.1主要元件
本次科创采用TL431作为基准电源电路的核心元件。
其管脚分布及符号表示如图4-3。
图4-3TL431的实际管脚分布以及符号表示[5]
1：
[Reference]基准电压输出极
2：
[Anode]阳极
3：
[Cathode]阴极
4.2.1.2.2电路设计
图4-4是以TL431为核心器件的基准电源电路的电路图。
图4-4基准电源电路[5]
4.2.1.2.3元件参数选择
在基准电路中，Input为不恒定的5V电源，而
的要求为4V。
由于
，
很小，可忽略，所以
。
选取R1=6kΩ，R2=10kΩ。
4.2.2有源LPF模块的设计原理与方案
4.2.2.1设计原理
使用有源LPF的目的是将脉冲信号的直流电压分量取出来而尽量抑止其他频率分量通过。
使用低通滤波器可以达到这个效果。
最理想的情况下，有源LPF能将所有交流分量滤掉，则占空比为η以
为高电平的方波信号经过有源LPF后可以得到幅值为η*
的直流电压信号。
实际中，有源LPF是不能将所有交流分量都滤掉的，但只要选取合适的电路参数，就可以使得低通滤波器的截止频率小到能认为该滤波器是理想的。
4.2.2.2设计方案
4.2.2.2.1电路实现
本次科创使用的是单位增益SALLEN-KEY结构低通滤波器，电路图如图4-5所示。
图4-5单位增益SALLEN-KEY结构低通滤波器示意图[2]
在复频域中
，
，
，
由以上三式可得
，
在频域中
，
可视其为一个二阶低通滤波器，其截止频率为
。
是占空比为η且以
为高电平的方波信号，在
足够小的情况下在近似认为输出端
是幅值为
的直流电压信号。
4.2.2.2.2元件参数选择
R1=82kΩ
R2=82kΩ
C1=0.1μF
C2=0.1μF
计算可知，设计的低通滤波器的截止频率为
。
因为频率很小，可以近似认为此处的有源LPF从方波信号中提出了直流分量。
4.2.3信号变换与隔离模块的设计原理与方案
4.2.3.1设计原理
利用光电耦合器可以实现信号的变换与隔离。
光电耦合器主要由光源（发光二极管LED）和光敏器件组成，如图4-6所示。
通用的光耦是把一个发光二极管LED和一个光敏三极管VT封装在一个完全与外界光线隔离的外壳中。
当电流流过发光二极管LED时，产生一个光源，光强度取决于激励电流大小，此光照射到封装在一起的光敏三极管VT上后，控制VT产生集电极电流。
由于本系统使用的是非线性光耦，所以流经发光二极管的电流与光敏三极管的集电极电流之间呈非线性关系。
图4-6光耦示意图
4.2.3.2设计方案
4.2.3.2.1主要元件
本模块使用的核心元件为4N25，其管脚分布如图4-7所示。
图4-74N25的管脚分布图[6]
1:
[ANDOE]阳极
2:
[CATHODE]阴极
3:
[N.C.]悬空端
4:
[EMITTER]发射极
5:
[COLLECTOR]集电极
6:
[BASE]基极
4.2.3.2.2电路实现
整个光耦转换模块的电路如图4-8所示。
其中左边四个电阻组成的拓扑分压网络是DC-DC开关电源子系统的一部分。
图4-8光耦及拓扑分压网络电路图[2]
在电路中，光耦的作用相当与给R12并上一个电流源，通过电流大小的变化控制B点的电压大小，进而通过DC-DC开关电源子系统控制输出电压的改变。
4.2.3.2.3元件参数选择
由于本系统采用的是非线性光耦，因此流过LED的电流与光敏三极管产生电流并不成线形比例关系。
而且当流过LED的激励电流过小时，将很难产生有效光强驱动光敏三极管产生电流；当流过LED的激励电流过大时，产生的光强将饱和，光敏三极管产生电流不再有较大改变。
因此要正确选取使光电耦合正常工作的激励电流范围，也就是Rctl，确保系统工作正常。
Rctl确定为1.48kΩ，是反复多次调试的结果。
实验中发现，当Rctl的取值大于2kΩ时，20%-80%的占空比不能完全覆盖5V-10V的输出电压，只能在大约7V-10V的范围内变化，而且很大一部分占空比对应的输出电压相同，说明LED上的电流使得光敏三极管工作于截止区或者饱和区。
若Rctl的取值大约为1kΩ，则20%-80%的占空比只能覆盖大约5V-7V的输出电压，效果也不好。
实验中还发现，图4-8中，电阻R11，R12，R13，R14的阻值同样会对开关电源子系统的输出电压产生影响。
而且光耦的并入还影响到图4-8中A，B两端向右视入的等效电阻。
经过反复尝试，我们将Rctl定为1.48kΩ，R11定为5.1KΩ
20KΩ=4.06KΩ，使得28%-52%的占空比能控制输出电压为5V-10V。
4.3温度对电压控制子系统的影响
几次对系统的开环测试发现，对于占空比相同的方波，DC-DC开关电源子系统的输出电压存在漂移，当数码管显示5V时，输出电压能从约4.75V变化到约4.9V。
5V-6V附近的漂移尤其严重。
下面分析造成这种现象的原因。
首先是环境温度。
我们小组第一次进行开环控制占空比的测定是在十一月初，当时气温较高，实验室没有开空调。
不久以后，气温骤降，实验室开空调，使得室内气温比十一月初未开空调时还要高，而且每天室内气温还有差别。
这就导致系统工作的起始环境温度不同，使系统中的元件所处的工作状态不一样，表现出的性能也有所区别。
第二是水泥电阻发热造成局部温度升高。
TL494芯片和外围电路元件会受到温度升高的影响。
光耦是控制输出电压的关键元件，对温度很敏感，它就放置在水泥电阻附近，受温度的影响很大。
我们曾经尝试把水泥电阻移走，放置在远离DC-DC开关电源子系统的地方，温度漂移依然存在。
这说明电路中还有别的因素造成温度漂移。
限于所学知识，我们没有进行更深入的分析。
令我们感到欣喜的是，实验中发现，在系统上电十五分钟以后，输出电压漂移较小。
于是我们在这种状态下重新进行方波占空比与输出电压关系的测定，情况得到一定程度改善。
5.电压测量子系统的硬件设计
5.1主要功能
对DC-DC的输出电压进行采样，采样得到的电压进行处理后再通过A/D转换就能得到二进制代码，进而可以将DC-DC输出电压的信息反馈给单片机。
5.2设计原理及方案
整个子系统主要由信号变换与隔离模块、A/D转换模块组成，另有为这两个模块提供基准电压的基准电压模块，各个模块间的连接见图X。
图5-1电压测量子系统各模块的连接示意图[2]
5.2.1基准电压模块的设计原理与方案
5.2.1.1设计原理
用以TL431为核心元件的基准电源电路，可以将不很稳定的5V电源转变成稳定的基准电压。
得到的基准电压提供给信号变换及隔离模块和A/D转换模块中必须使用稳定电压的部分，可以保证它们的正常工作不因电压不稳定而受到影响。
5.2.1.2设计方案
5.2.1.2.1主要元件
基准电源电路的核心元件是TL431，其管脚分布见图5-2。
图5-2TL431的实际管脚分布以及符号表示[5]
1：
[Reference]基准电压输出极
2：
[Anode]阳极
3：
[Cathode]阴极
5.2.1.2.2电路实现
图5-2是以TL431为核心器件的基准电源电路的电路图。
图5-3基准电源电路[5]
5.2.1.2.3元件参数选择
在基准电路中，Input为不恒定的5V电源，而
的要求为4V。
由于
，
很小，可忽略，所以
。
选取R1=6kΩ，R2=10kΩ。
5.2.2信号变换与隔离模块的设计原理与方案
5.2.2.1设计原理
利用光电耦合器，可以实现DC-DC输出电压与A/D转换电路的物理隔断。
而由光电耦合器的输入输出特性，DC-DC输出电压与此部分的输出之间存在一一对应关系。
5.2.2.2设计方案
5.2.2.2.1主要元件
此模块的核心元件为4N25。
其管脚分布见图5-3。
图5-34N25的管脚分布图[6]
1:
[ANDOE]阳极
2:
[CATHODE]阴极
3:
[N.C.]悬空端
4:
[EMITTER]发射极
5:
[COLLECTOR]集电极
6:
[BASE]基极
5.2.2.2.2电路实现
图5-4是以4N25为核心元件的信号变换与隔离元件。
在图中，Vo转换为电流后可以使发光二极管产生光源，此光源使得光敏三极管产生集电流电流
，于是有
=基准电压-
。
图5-4信号变换与隔离电路[2]
5.2.2.2.3元件参数选择
R1=15kΩ
R2=10kΩ
R1的主要作用是使保证流过发光二极管的电流在光耦正常工作的范围内，这里选取R1为15k。
R2同光敏三极管串联，它的取值直接影响输入到ADC0804模拟电压正端的电压范围，原则上应使这个范围尽量大，以避免外界不稳定因素干扰影响ADC0804的正确编码。
取R1值为10k。
电路焊接好后，用万用表测量，当从
4.99V单调增加到10.02V时，
从3.538V单调减小2.340V。
5.2.3A/D转换模块的设计原理与方案
5.2.3.1设计原理
利用A/D转换芯片并选取合适的外围电路，可以将信号隔离与变换模块的输出转变为二进制代码后输给单片机，从而通过编程来实现完成相关操作。
5.2.3.2设计方案
5.2.3.2.1主要元件
此次科创选择了ADC0804作为此模块的核心元件。
其管脚分布如图5-5所示
图5-5ADC0804的管脚[7]
1:
[
]片选信号
2:
[
]读信号
3:
[
]写信号
4:
[CLKIN]时钟输入端
5:
[
]中断输出端
6:
[
]模拟信号正输入端
7:
[
]模拟信号负输入端
8:
[AGND]模拟地
9:
[
]基准电压输入端
10:
[DGND]数字地
11~18:
[DB0~DB7]数据输出端
19:
[CLKR]时钟输出端
20:
[V+]工作电源
5.2.3.2.2电路实现
图5-6X给出了ADC0804与单片机的连接示意图，本模块即是在该连接图的基础上补全外围电路实现的。
其中Vcc接工作电压5V，AGND和DGND分别是模拟地和数字地。
本芯片所需要的时钟脉冲可以由外界提供，也可以由芯片本身产生。
当由外界提供时，可用CPU的时钟脉冲经分频后接至CLKIN端，当由芯片本身产生时，需外接电阻和电容，产生的脉冲频率f=1/1.1RC。
ADC0804通过总线方式与单片机微控制器相连，当CS端为低电平时，向WR脚发出一个负脉冲，启动芯片进行模数转换，完成转换后INTR脚变为低电平，再通过向RD端发一个负脉冲读取转换好的编码。
下面对ADC0804的外围电路分“A”、“D”两侧进行介绍。
图5-6ADC0804与单片机的连接及外围电路示意图[7]
ADC0804的“A”侧电路设计
系统中ADC0804的‘A’侧的应用电路图如图5-7所示。
图5-7ADC0804的“A”侧的应用电路图[2]
该部分电路要达到的目的是：
若设VA∈[
]，则应有VIN（-）<≈
且（
-VIN（-））/
<≈1。
这样做的目的是为了既能最大限度地利用编程空间同时又保证A/D转换得到的二进制代码处于正常范围之内。
[2]
ADC0804的“D”侧电路设计
系统中ADC0804的‘D’侧的应用电路图如图5-8所示。
图5-8ADC0804的“D”侧的应用电路图[2]
ADC0804通过总线方式与单片机微控制器相连，当
端为低电平时，向
脚发出一个负脉冲，启动芯片进行模数转换，完成转换后
脚变为低电平，再通过向
端发一个负脉冲读取转换好的编码。
本次实验中没有使用INTR脚的低电平作为读入AD转换数值的信号。
而是在单片机向ADC0804发出片选信号一定时间后直接读取转换好的数据，以达到节省数据口的使用，简化电路的目的。
5.2.3.2.3元件参数选择
R3=30kΩ
R4=39kΩ
R5=15kΩ
R6=200Ω+250Ω=450Ω
图5-7中，设基准电压为
。
由于测量结果
的变化范围是2.340V-3.538V。
取
。
由
，得
。
取R3=30kΩ，R4=39kΩ。
我们选取R5=15kΩ，R6=200Ω+250Ω=450Ω。
这样测得ADC0804
管脚电压约为0.7V。
我们编写读取AD转换数值的小程序，把数值显示在单片机小系统的数码管上。
发现图5-4中Vo从5V单调增加到10V时，AD转换得到的二进制代码相应的十六进制数从E6H单调减少到0FH。
AD转换覆盖的代码范围很大。
V
升级会员 