第175组科创实验报告.docx

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第175组科创实验报告

姓名

班级

学号

具体负责的工作

联系方式

马寅龙

F0503031

5050309841

基础和开环部分测试、软件编程、实验报告撰写

34204993

赵旭

F0503031

5050309850

总体设计、基础部分及开环部分电路调试数据采集、闭环（未成功）电路设计

刘浩洋

F0503031

5050309840

材料整理、软件编程、开环部分检测、实验报告撰写

摘要：

本设计报告包括了DC-DC开关电源及其控制系统的主要功能、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，调试分析方法，针对用户操作的详细说明，对系统中某几个部分的深入扩展研究，心得体会等等，包括了实验过程中遇到的各种问题以及对它们的思考。

关键词：

DC-DC；开关电源；开环控制；闭环控制

ABSTRACT

ThisreportincludesdetailedexplanationsofinnerworkingsoftheDC-DCswitchingpowersupply;whichincludesthedesigningandimplementationsofitscontrolsystems,majorfunctions,requiredhardwareandsoftware.Thedesignspecifications,plusthedebuggingprocessandtesting,aswellasuserinstructionsmanualarealsoattachedinthereport.

KEYWORDS

DC-DC；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%

限流值：

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

C4=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