数控直流稳压源设计报告.docx
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数控直流稳压源设计报告
A-3数控直流稳压电源设计
组员：
郭江、袁强、周偲
完成时间：
2016年5月9日
摘要
随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型的例子，但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，向智能化方向发展。
本设计在输入电压为10V-16V，电流不小于5A的条件下，完成一个直流稳压、恒流电源。
该电源达到了输出电压1-22V可调、电压增减调节，电压步进0.5V、纹波小，输出电流不小于1A、恒压源效率大于70%。
关键词：
Buck-Boost电路、数控、稳压电源。
Abstract
Withthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandard,digitalcontrolisundoubtedlyoneofthepeople'spursuitofthegoal,itgivespeopletheconvenienceisundeniable,theNCDCregulatedpowersupplyisaverygoodtypicalexamples,butpeople'srequirementofitisalsomoreandmorehigh,tomodernwork,scientificresearch,life,toprovidebetter,moreconvenientfacilitiesrequiresfromthedigitaltechnologyofintelligentdirection.
Thedesignoftheinputvoltageis10V-16V,thecurrentisnotlessthan5A,thecompletionofaDCvoltageregulator,HengLiupower.Thepowersupplyreachestheoutputvoltage1-22Vcanbeadjusted,thevoltageincreaseordecrease,thevoltagestep0.5V,therippleissmall,theoutputcurrentisnotlessthan1A,theconstantpressuresourceefficiencyismorethan70%.
Keywords:
Buck-Boostcircuit,digitalcontrol,voltageregulatedpowersupply.
目录
一、任务及要求4
1、基本要求5
2、发挥部分5
二、方案论证与设计5
三、原理分析与计算6
1、Boost变换器基本原理6
2、主电路主要元器件的参数设计7
三、原理分析与计算5
四、硬件电路图8
五、软件设计与流程9
六、系统测试与误差分析9
七、总结10
八、参考文献：
11
九、附录12
附录一：
元器件清单12
附录二：
仪器设备12
附录三：
电路图13
附录四：
部分程序13
一、任务及要求
已知输入电压为10V-16V，电流不小于5A的条件下，试设计一个直流稳压、恒流电源。
1、基本要求
（1）输出电压1.5V~30V可调;
（2）电压增减调节，电压步进0.5V；
（3）纹波<10mV，输出电流不小于1A；
（4）恒压源效率大于70%;
2、发挥部分
（1）实现恒流功能，电流步进0.1A（负载小于10欧）；
（2）输出电流能在0.1A~1.5A范围内设定；
（3）恒流源效率大于60%;
（4）其它。
二、方案论证与设计
方案一：
选用可调节三端正电压稳压器进行调节（LM317），对输入的电压进行调节，电压变化范围：
0~15V；连续可调，用单片机AD对滤波后的电压进行采集转换,传入单片机进行处理。
不足：
只能降压，不能升压，并且是通过滑动变阻器调节输出电压不是数控。
方案二：
采用的是三端可调集成稳压器LM350、同相比例放大器TL081，DA的电压输出端接TL081，当MCU输出数据增加的时候输出电压可以以每次梯度增加电压。
不足：
虽然采用了数控，但是还没有升压的能力。
方案三：
由单片机MSP430G2553输出PWM经比较器LM393推挽输出控制BUCK-BOOST升降压型电路，在负载为10Ω的情况下用AD采集输出电压，通过单片机PID算法调节PWM以达到数控的目的。
最终我们们选择了方案三，它满足电源设计要求升降压的情况下并且效率高，一般可达到80％以上，能轻易的达到输出要求。
而且以单片机输出PWM控制MOS开关．通过不同的程序灵活更改调节方式、参数，实现电压调节输出；采用键盘输入的人机对话方式及LED显示作为输出电压显示．使得操作简单可靠。
方框图
图1总体设计框架图
三、原理分析与计算
、Boost变换器基本原理
分析Boost变换器电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
当Tr处于通态时，整流后得直流电压向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0。
设Tr处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。
当Tr处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
设Tr处于断态的时间toff，则在此期间电感L释放的能量为（U0-E）I1toff。
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
（3-1）
化简得
（3-2）
上式中T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路，也称之为boost变换器（BoostConverter）。
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：
一是L储能之后具有电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。
在以上分析中，认为Tr处于通态期间因电容C的作用使得输出电压U0不变，但实际上C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理想结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略[6]。
、主电路主要元器件的参数设计
高功率因数校正硬开关DC/DC变换电路技术指标：
输入电压：
直流12~16V
输出电压：
直流30V
最大输出功率：
60W
功率因数：
90%
开关频率：
f=100kHz
升压电感L的设计：
电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。
电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。
由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有：
（3-3）
本设计中，转换器的输入线电流峰值为7.071A，出现在电压为12V时。
假如允许电感电流有20%的电流脉动，则有：
（
是指电流纹波峰对峰值）（3-4）
在升压型转换器中最大纹波电流发生在占空比为50%时，即在升压比为M=V0/Vin=2的时候。
电感电流的峰值一般不会发生在这个时候，因为它的峰值是由正弦控制信号的峰值所决定的。
电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值在此电压时的占空比D以及开关频率所决定的（此处Vin（pk）是电网电压最低时整流桥输出电压的峰值），其关系式如下：
时的占空因数：
（3-5）
计算升压电感：
（3-6）
为了方便起见，电感值被四舍五入而以整数50uH代替。
输出电容CO的设计：
PFC电路的输出电容的选择主要应考虑:
输出电压的大小及纹波值，电容允许流过的电流值，等效串联电阻的大小，容许温升等众多因素。
此外，稳压电源还应要求在输入交流电断电的情况下，电容容量足够大以保证一定的放电维持时间。
本文以保持时间来确定输出电容值，保持时间是指在输入电压关断后，输出电压能够维持正常输出值的时间长度，典型保持时间为
t为15～50ms。
满负载功率为60W，电容电压在此期间允许的跌落为1V，输出电容由容许的输出最大纹波电压决定，输出纹波电压频率为2倍的基频率。
本设计输出的范例里，输出电容如下式所述：
（3-7）
式中：
——负载功率
——电容维持时间，取40ms
——输出电压
——维持负载工作的最小电压
四、硬件电路图
我们采用单片机MSP430G255输出PWM经OC运放后推挽驱动MOS管达到升压降压的目的，这是因为单片机MSP430G2553输出的为3v的方波信号不能直接驱动MOS管，而一般运放的带负载能力太弱，MOS管的上升沿和下降沿太缓，从而MOS管长时间处于放大状态，发热严重容易烧坏,故用OC输出提高电压电流后经推挽驱动MOS的导通截止。
其中推挽驱动电路更容易驱动MOS并提高输出功率，输出电流瞬态响应速度很高，从而提高反应速度，尽量减小开关损耗，使能量传递效率更高。
电压采集部分是使用电阻直接分压后用单片机带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200-ksps模数（A/D）转换器。
五、软件设计与流程
（1）软件设计
系统应用程序的结构可分为主程序和若干子程序，主程序主要完成：
对内存中的工作参数进行初始化，显示系统初始状态；ADC电压采集、电压采集到的数据通过PID处理后经定时器产生一个100KHzPWM波输出；在有键入操作时读取键值，并改变电压设定值。
子程序包括：
读键盘子程序、12864显示子程序，pid计算子程序，ADC采样子程序等。
程序具体思路：
初始化各子程序模块设定电压初值ADC电压采集电压采集数据通过PID处理后经定时器产生一个100KHzPWM波输出按键中断输入电压设定值循环采样改变PWM输出。
（注：
具体程序见附录四）
（2）流程图
六、系统测试与误差分析
降压模式（电压单位均为V、电流单位均为A、功率单位均为W）：
在输入电压12V、频率80KHz、负载10Ω的条件下：
占空比
输出电压Vo
输出电流Io
输出功率Po
输入电流Iin
效率n
30%
1.19
0.119
0.14
0.03（0.36W）
38.9%
70%
8.02
0.802
6.4
0.58（6.96W）
92.8%
在输入电压12V、频率100KHz、负载10Ω的条件下：
占空比
输出电压Vo
输出电流Io
输出功率Po
输入电流Iin
效率n
30%
0.88
0.088
0.07
0.03（0.36W）
19.4%
70%
7.78
0.778
6.05
0.55（6.6W）
91.7%
在输入电压12V、频率120KHz、负载10Ω的条件下：
占空比
输出电压Vo
输出电流Io
输出功率Po
输入电流Iin
效率n
30%
0.63
0.063
0.03
0.02（0.24W）
12.5%
70%
7.64
0.764
5.8
0.54（6.48W）
89.5%
测试结果分析：
随着频率升高转换效率逐渐降低，最大效率能够达到90%，在降压模式下输出功率能够达6W。
升压模式（电压单位均为V、电流单位均为A、功率单位均为W）：
在输入电压12V、频率80KHz、负载10Ω的条件下：
占空比
输出电压Vo
输出电流Io
输出功率Po
输入电流Iin
效率n
30%
16
1.6
25
2.4（28.8W）
86.8%
70%
23
2.3
52.9
4.8（57.6W）
91.8%
在输入电压12V、频率100KHz、负载10Ω的条件下：
占空比
输出电压Vo
输出电流Io
输出功率Po
输入电流Iin
效率n
30%
16
1.6
25.6
2.2（26.4W）
96.9%
70%
22
2.2
48.4
5.5（66W）
73.3%
在输入电压12V、频率120KHz、负载10Ω的条件下：
占空比
输出电压Vo
输出电流Io
输出功率Po
输入电流Iin
效率n
30%
15
1.5
22.5
2.2（26.4W）
85.2%
70%
21
2.1
44.1
4.1（49.2W）
89.6%
测试结果分析：
随着频率升高电源转换效率逐渐降低，最大效率达到96%。
在最大输入功率为为66W的情况下输出功率有48.4W。
七、总结
在此次比赛中遇到的一些问题在此总结出来，记住并思考这些问题从而在以的比赛中不再犯同样的错误。
1，buck降压模式。
场效应管为P-MOS管（这是出于驱动的考虑：
高侧驱动，开启电压可以为0），此时注意输入与输出，输入为S极输出为D级（可以从寄生二极管方面考虑，我仅在模电书中接触过MOS使用时没有太过的考虑N-MOS与P-MOS接法，认为都是从D输入S输出，后面在做这个DC-DC时发现无论如何都是导通的，才发现这个我的接法错误）
2，电感的计算一般有相关的文档计算电感量，我采用的是铁硅铝磁环自行绕。
（在boost中曾做到12V输入55V输出（80%占空比）1K负载达到350mA）
3，二极管选用100V肖特基二极管，在50V输出的情况下保留一定的裕量是一种很好的设计。
电容也是储存能量的一部分也需要考虑耐压值，我曾在50V的情况下使用25V耐压的电容最后电容发热幸好我及时关断电源。
4，采用推挽输出是考虑比较器的驱动能力不够不足以推动MOS管也可以从提高反应速度方面考虑。
5，比较器两个输入端的连接是很有学问的。
可以看到两个截止部分的位置是不同的，仔细考虑，停止P-MOS管要使Vgs相差不大（开通条件是Vgs小于阈值），所以设计者将基准电压接在+输入端PWM接在-输入端，一旦需要截止场效应管时拉低-输入端的电平是比较器输出高电平截止P-MOS管。
至于升压截止为什么是接在比较器输出与推挽之间我猜测是提高升压时的截止速度，因为我在做升压发现这个升压过程是很快的，如果截止速度不够快的话，那输出可能在一瞬间烧坏某些器件。
6，降压部分测试时遇到一个问题，就是电压怎么也降不下来永远是12V，心里也是塞塞的尤其是再找了很久都不知道问题出在哪里，后来老师就说了句，加负载没？
没有负载，能量会一直持续在电路上。
于是我加了1K的发现电压降得不是很明显，但是换成27Ω的却可以降到3V。
7，我遇到过一个很心塞的问题，三极管器件管件属性是错的，三极管E,B,C对应是1,2,3而李军学长的器件库E,B,C对应的却是2,1,3。
其结果是可想而知，所以在用别人东西的时候还是得考虑有没有错误。
8，所有流过大电流的线路都要加锡，必须覆盖整个窄的线段已达到加大电路流通最大电流的目的，电源输入也要用粗线引入。
9，双路电源并联输出为了使电源输入电流达到6A。
八、参考文献：
[1]康华光．电子技术基础模拟部分[M]．北京：
高等教育出版社，2006．
[2]康华光．电子技术基础数字部分[M]．北京：
高等教育出版社，2006．
[3]恰汗.合孜尔．C语言程序设计[M]．北京：
中国铁道出版社，2006．
[4]沈建华．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M]．清华大学出版社，2006．
[5]（美国）科特尔（BruceCarter）.运算放大器权威指南.人民邮电出版社，2010.
九、附录
附录一：
元器件清单
功率电阻100W10Ω
80uH铁硅铝磁环电感
N-MOSFETIRF640
P-MOSFETIRF5210
电压比较器LM393
三极管8050、8550
二极管SR5100
附录二：
仪器设备
示波器
函数信号发生器
数字万用表
双路30V，3A直流稳压电源
附录三：
电路图
附录四：
部分程序
/******************************************************************************
*描述:
电压采集与显示
*参数:
无
*返回:
无
*注意:
无
******************************************************************************/
staticdoubleU_Show（）
{
uint8_ti;
doubleM=0;doubleU=0;
for（i=0;i{
M+=（double）ADC10_Mem[i]*2.5/1023;
}
M=M/ADC10_Data_Num;
U=M*23;
LCD_Display_FloatNum（2,3,U,6）;
returnU;
}
/******************************************************************************
*描述:
延时插入按键扫描
*参数:
无
*返回:
无
*注意:
无
******************************************************************************/
staticvoiddelay_Key（uint8_tT）
{
uint8_ti;
for（i=0;i{
delay_ms（50）;
Key_Process（）;
}
}
/******************************************************************************
*描述:
按键中断电压设置
*参数:
无
*返回:
无
*注意:
无
******************************************************************************/
staticvoidKey_Process（void）
{
if（KEY.Key_Flag）
{
KEY.Key_Flag=0;//按键清除
__bic_SR_register（GIE）;//关总中断
switch（KEY.Keynum）
{
case0x00:
//电压++
{
S_PID.SetPoint++;
LCD_Display_FloatNum（1,3,S_PID.SetPoint,6）;
break;
}
case0x01:
//电压--
{
S_PID.SetPoint--;
LCD_Display_FloatNum（1,3,S_PID.SetPoint,6）;
break;
}
case0x02:
//电压+=10
{
S_PID.SetPoint+=10;
LCD_Display_FloatNum（1,3,S_PID.SetPoint,6）;
break;
}
case0x03:
//电压-=10
{
S_PID.SetPoint-=10;
LCD_Display_FloatNum（1,3,S_PID.SetPoint,6）;
break;
}
case0x04:
//电压+=0.5
{
S_PID.SetPoint+=0.5;
LCD_Display_FloatNum（1,3,S_PID.SetPoint,6）;
break;
}
case0x05:
//电压-=0.5
{
S_PID.SetPoint-=0.5;
LCD_Display_FloatNum（1,3,S_PID.SetPoint,6）;
break;
}
default:
break;
}
__bis_SR_register（GIE）;//开总中断
}
}
/******************************************************************************
*描述:
压控系统界面
*参数:
无
*返回:
无
*注意:
无
******************************************************************************/
staticvoidVC_Interface（void）
{
LCD_Clear（）;
Display_Str（0,2,"压控界面"）;
Display_Str（1,0,"设定V:
"）;
Display_Str（1,7,"V"）;
Display_Str（2,0,"实际V:
"）;
Display_Str（2,7,"V"）;
}
/******************************************************************************
*描述:
压控系统初始化
*参数:
无
*返回:
无
*注意:
无
******************************************************************************/
staticvoidVC_Init（void）
{
ADC10_Config（）;
ADC10_Convert（INCH_0,BIT0）;
}
/******************************************************************************
*描述:
100KHzPWM产生I/O:
P2.1
*参数:
无
*返回:
无
*注意:
无
******************************************************************************/
voidPWM100KHz（unsignedintA,unsignedintB,unsignedintc）
{
P2DIR|=（BIT1）;
P2SEL|=（BIT1）;
TA1CCR0=A;
TA1CCTL1=OUTMOD_7;
TA1CCTL2=OUTMOD_7;
TA1CCR1=B;
TA1CCR2=C;
TA1CTL=TASSEL_2+MC_1;
}
/******************************************************************************
*描述:
系统初始化
*参数:
无
*返回:
升级会员 