DCDC开关电源及其控制系统第178组设计报告.docx
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DCDC开关电源及其控制系统第178组设计报告
摘要：
本实验报告是关于单片机控制DC—DC开关电源系统的设计，介绍了以单片机AT89S52、脉宽调制器芯片TL494、数模转换芯片ADC0804等为核心器件通过控制调节输出PWM波的方法，实现20V~30V直流电源电压输入状态下在5V~10V之内稳定的直流电源电压输出。
报告包括了DC-DC开关电源及其控制系统的主要功能，系统的技术指标，调试分析，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，心得体会和实物照片等等，包括了与此相关的理论和实践中的各种问题。
关键词：
DC-DC；开关电源；开环控制；闭环控制；单片机小系统；有源滤波；AD0804；TL494。
ABSTRACT
ThereportismainlyabouttheDC-DCsystemcontrolledbysinglechip，includingthedesigntocontrolthePWMwavethroughthechipAT89S52,chipTL494,andtheA/DchipADC0804andsoon，soastogeneratingaDCpowersupplyrangingfrom5Vto10Vinconditionoftheinputvoltagerangingfrom20Vto30V.
ThisreportintroducesfurtherexplanationsofinnerworkingsoftheDC-DCswitchingpowersupply;includingthedesigningandimplementationsofitscontrolsystem,majorfunctions.Thedesignspecifications,plusthedebuggingandtestingprocess,aswellasuserinstructionsmanualarealsoattachedinthereport.
KEYWORDS
DC-DC；switchingvoltageregulator;SingleChipMicyoco;low-passfilter;ADC0804;
TL494
1概述
1.2编写说明
本文档为上海交通大学电子工程系学生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178组具体设计内容编写，本文详细阐述了各部分电路系统的工作原理和设计方法，系统测试结果及有关问题的讨论与研究，适合具有一定电子技术及单片机知识基础的人员阅读参考。
1.3名词定义
DC-DC：
输入电压为DC直流电压，输出也为DC直流电压的电路。
开关电源：
利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。
开环/闭环控制：
所谓开环控制是指依靠前馈信息所进行的控制,闭环控制是指依照后馈信息所进行的控制；开环控制的输出对输入不产生反馈作用，闭环输出对输入施加反馈作用，使系统更稳定。
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。
脉宽调制（PWM）：
是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术
占空比:
在信号的一个周期内,高电平信号所占的时间比例。
纹波：
输出端呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分量，用峰峰值表示
单片机小系统：
一台能够工作的计算机要有这样几个部份构成：
CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：
串行口、并行输出口等）。
在个人计算机上这些部份被分成若干块芯片，安装一个称之为主板的印刷线路板上。
而在单片机中，这些部份，全部被做到一块集成电路芯片中，所以称为单片（单芯片）机。
1.4缩略语
DC-DCDirect-Current-Direct-Current
直流－直流转换器。
将直流输入信号转换为需要输出大小的直流信号。
PWMPulseWidthModulation
即脉冲宽度调制。
指一定频率的占空比可变方波信号。
ADCAnalogtoDigitalConverter
即模拟数字信号转换器。
用于将模拟信号按照一定速度转换为数字信号。
LPFlowpassfilter
即低通滤波器
2系统总述
2.2系统组成
本系统由DC-DC开关电源，单片机控制系统，D/A转换及A/D转换四个部分组成，系统组成框图如图2.1所示
图2.1系统组成示意图[4]
2.2.1DC-DC开关电源子系统
图2.2DC-DC开关电源部分结构图[4]
本系统是以TL494为PWM控制器的DC-DC开关电源部分，在一块印刷电路板上实现DC－DC变换器的功能，对于20V~30V之间波动的电压输入，经过变换器得到一个稳定的输出电压。
此稳定的输出电压值可以在5V～10V的范围内手动调节。
2.2.2电压控制子系统
图2.3电压控制部分结构图[4]
电压控制部分主要通过单片机改变PWM信号的占空比来改变输出电压，使输出能达到5V~10V，从而达到开环控制的效果，其间要经过整形和低通滤波的整形和滤波，然后再经过信号变换输入到4N25光耦合器件。
2.2.3电压检测子系统
图2.4电压检测部分结构图[4]
这部分系统采集开环输出电压，然后输入给ADC0804进行编码，然后将8位二进制编码输入给单片机并有其控制闭环输出，从而实现整个系统的闭环控制和监测。
2.2.4单片机子系统
单片机子系统提供PWM信号，利用输出PWM占空比的变化来控制输出的电压值，并且同时在其数码管显示部分显示输出电压值。
2.3系统的主要功能[1][3]
1．单片机系统是系统的控制中心，负责控制系统的工作状态，并起到人机交换信息的作用；
2．DC-DC开关电源系统（稳压器）是系统的执行模块，它以开关的方式完成稳压目的，并负责输出所希望的电压和功率到负载
3．电压控制系统将单片机输出的PWM信号经低通滤波器和非线形光电耦合器，将数字信号转换成模拟控制信号来控制开关电源的输出电压大小
4．电压检测系统具有反馈输出电压的作用，将输出电压模拟值转换成数字信号送回单片机系统，使单片机通过反馈调节的方法使输出电压稳定在期望值。
3DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.2系统功能和设计指标
3.2.1实现功能
１）将输入的２０～３０Ｖ的直流电压转换成较低的５～１０Ｖ直流电压输出
２）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
3.2.2主要指标
输出电压可调范围：
最低输出5.0V；最高输出10.0V（输入30.0V±0.1V）
电流调整率:
1%
电压调整率:
<1%（输入20.0V±0.1V到30.0V±0.1V；输出10.0V±0.1V）
输出纹波:
<100mV（输入为30±0.1V,输出为10±0.1V时）
动态响应:
ms级
效率：
大于６５％
限流值：
1.1A左右
3.3系统设计原理
图3-1DC-DC开关电源原理图
开关电源具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。
如图3-1所示为降压型开关电源的原理图。
图中TL494芯片、开关三极管（TIP42），基极电阻构成一个可控关闭与断开时间的开关电路。
后级充放电路则由续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。
TL494芯片通过1号管脚对V
（输出电压V
的线性分压）进行采样，通过和其内部的参考电压V
（TL494芯片提供了一个5V基准电压可用）进行比较后，使得开关三极管（TIP42）处于截止状态，上面没有电流通过，然后由后级电路进行放电，此时TL494芯片的1号管脚仍在不断地进行电压采样，直到其采样电压低于V
时，打开开关三极管，使其对后级电路进行充电。
其中电感为主要的储能元件。
因为Vref是一个固定不变的比较电压，那么我们只要调节分压电阻就可达到在某个范围内改变及稳定Vo的目的。
这就是降压型开关电源的工作原理。
由于充放电过程需要一定的时间，所以输出端Vo处的波形为锯齿波，它的峰峰值的大小取决于TL494的开关频率，如图3-2所示。
频率越高，峰峰值越小，但效率会降低，此外，和开关三极管的两个偏置电阻的大小也有关系。
图3-2开关频率与输出纹波
3.4系统的主要部分和参数的说明
3.2.3主要器件TL494
TL494是DC-DC部分的核心器件，因而对于它的了解能使我们更好的了解DC-DC子系统的工作原理。
TL494内部结构如图3-3
图33TL494内部结构（摘自TL494datasheet）
3.2.3.1管脚定义：
Tl494的管脚图见图3-4：
图34TL494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
3.2.3.2TL494的工作原理
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大
器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。
1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线性变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。
内部的线性锯齿波振荡器频率f=1.1/（Rt*Ct），它可以有两个外接元件Rt,Ct来调节。
内置两个误差放大器，可以构成电压反馈调节器和电流反馈调节器，分别控制输出电压的稳定和输出电流保护。
设置了5V基准电压源。
它的死区时间可以通过pin4的外接电压调整。
输出端可以单端，可以双端，本实验中采用双端类型的脉宽调制器，即PWM。
输出脉冲的宽度调制，是通过电容器Ct上的正极性锯齿波电压与其他两个控制信号电压进行比较来实现的。
激励输出管Q1和Q2的或非门工作状态，是只有在双稳态触发器
的时钟输入为低电平时才选通。
3.2.4TL494外围电路设计
图3-5DC-DC开关电源电路连接图
3.2.4.1电路分析
（1）振荡电路：
C3和R3与TL494的5、6管脚相连组成TL494PWM波的频率选择电路，决定了开关电路的频率，根据fosc=1/（RT*CT），即可得到C3（CT）、RT（R7）与振荡频率fosc的关系。
（2）R1、R2、TIP42与TL494的8、11、12管脚构成输入与输出开关电路，当8号管脚输出的PWM为高点平时开关三极管截止，则输入输出级断开，反之闭合。
（3）R3、R4、C2构成防自激网络，抑制高频增益。
（4）R5、R8、TL494的2、14管脚确定TL494的1号比较器（2管脚）的Vref。
TL494的14号管脚输出恒定的约5.0V的参考电压Vref，经R5、R8分压后形成Vref1（约2.5V）送入2号管脚。
（5）R11—R14构成输出电压Vo采样分压网络，形成Vs送入1号比较器1管脚与（4）电路一起构成Vo稳压调节电路。
（6）R6、R9与15、16号管脚构成可调限流控制网络。
3.2.4.2元件取值清单
R1
150
R2
47
R3
47k
R4
1.0M
R5
5.1k
R6
5.1k
R7
10k
R8
5.1k
R9
150
R10
0.1
R11
5.1k
R12
22k可变
R13
6.8k
R14
1k可变
C1
50
C2
0.1
C3
0.001
C4
500
C5
50
3.5一些典型问题的分析
3.4.1纹波问题
由于设计要求输出的纹波峰峰值在100mV以内，效率在最差情况下要达到65%以上。
通过查阅Datesheet得知，峰峰值的大小取决于TL494的开关频率（由5，6号管脚，即CT和RT的电容电阻乘积的倒数决定，），频率越高，峰峰值越小，但效率会降低，同时，可以通过增大开关三极管的两个偏置电阻的大小来降低开关管饱和导通深度，这样也可以降低输出纹波的大小。
还可以增大储能电感值（受工艺条件限制——建议3-4层）或增大滤波电容C5值（受工艺条件限制；不很经济）。
4电压控制子系统的硬件设计
4.2实现功能和设计指标
4.2.1实现功能
通过单片机系统板上的按键来输入设定要求的DC-DC开关电源输出电压，通过单片机进行计算，输出具有其所对应的占空比的PWM控制信号，信号经由有源低通滤波以取出其直流分量，此直流信号经由非线性光耦4N25耦合入DC-DC开关电源子系统的电压反馈比例控制网络，改变电压反馈比例，从而使其输出稳定电压的大小即为按键设定的电压。
4.2.2设计指标
输出电压控制精度0.05V（输入30.0V±0.1V）
4.3系统设计原理
图4-1电压控制部分整体结构图
输出电压控制电路的整体构成如图4-1所示，包括整形电路、有源滤波器、信号变换和隔离三个子系统。
4.2.1整形电路系统
整形电路的结构框图如图4-2所示。
由于在实验室，每台电源的性能不尽相同，且输出的电压也不稳定，这样就导致每次实验可能都需要对程序进行修改，产生不必要的麻烦，而整形电路正是为了克服这种缺点而设计的。
图4-2整形电路结构框图
4.3.1.1基准电源电路
基准电源电路的作用是为4011提供恒定的4V基准电压，使其为滤波电路提供稳定的工作电压。
其电路图如图4-3所示。
图4-3基准电源电路
其核心器件为TL431。
器件图见图4-7所示
图44TL431器件图
[CATHODE] 阴极
[ANODE] 阳极
[REF] 基准电压输出端
TL431的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA即R1取值不应过大。
在图4-3所示的电路连接方法下，输出电压的表达式为：
+R1×
因为VRef=2.5V,要求输出电压VO=4V,且通过阴极的电流要大于1mA。
所以由上式可得
阻值取值：
R取51Ω，R1取1.5K，R2取2.5K。
4.3.2有源滤波器系统
该系统的原理图如图4-4所示。
单片机输出占空比经过有源低通滤波器，滤除高频成分，只剩下直流成分，并加到光耦一端。
图4-4有源滤波器系统原理图
元件参数：
R1=R2=51K；C1=C2=1uF;
4.3.2.1系统工作过程
1.对于低频的输入信号，C1，C1可以看作开路，此时信号直接输入集成运算放大器的正向输入端，而直接从输出端输出。
2.对于高频的输入信号（信号频率远大于滤波器截止频率），C1，C2可以看作短路此时高频信号直接从C1流入接地线，而不在输出端出现。
3.对于频率接近截止频率的输入信号，由C2引入的正反馈可以决定对信号的增益。
集成运放UA741是有源低通滤波器的电路中的重要器件。
LM741管脚图见图4-5
图45LM741管脚图
4.3.3光电耦合电路
电路如图4-5所示。
随着光耦的输入电压的增大（或减小），其输入电流也相应增大（或减小），导致其内部的传递光强增强（或减弱），由光强导通的二极管电流亦变大（或变小），最终导致光耦的输出电阻变小（或变大），从而使得整体并联电阻变化，起到了变阻器的作用。
图4-5光电耦合连接电路
光耦器件见图4-6
图46光电耦合器管脚图
管脚定义
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
4.4隔离电阻Rctl的选择问题
隔离电阻的选择会影响输出电压的范围以及输出电压与栈空比的关系。
由于输出电压要经过Rctl，所以它起到了分压的作用。
一开始我们按照教材上的要求选择了3.9KΩ，但发现此时输出电压的可调范围过小，于是选择了并上一个1.5KΩ的电阻，但此时又是电压与栈空比关系曲线的前一小段的线性变差，为了是曲线可以整体后移，我们又稍微增大了Rctl的值，将1.5KΩ的电阻换成了2.5KΩ的电阻，从而各方面都得到了改善。
5电压测量子系统的硬件设计
5.2主要功能和设计指标
5.2.1主要功能
在有输出电压测量子系统时，整个系统就工作在闭环控制方式。
它的设计思想是通过光耦4N25芯片将输出电压采集进来，经过模数转换器ADC0804的量化编码，输入给单片机。
单片机通过软件编程，不断地将读入编码所对应的电压值与要求达到的电压值进行比较，并控制输出PWM波的占空比的大小，使得实际电压逐步接近所需要的电压，以实现单片机对输出电压的闭环测量、实时监控。
5.2.2设计指标
1、输出电压控制精度0.05V（输入30.0V±0.1V）
2、调偏R14，输出电压仍可回到原值。
（控制精度0.05V）
5.3系统设计原理
图5-1电压检测部分原理图
通过光耦4N25芯片将输出电压采集进来，在这里光耦主要起到系统隔离的作用，在经过光耦后Vo的变化范围会变化。
经过模数转换器ADC0804的量化编码，输入给单片机。
单片机通过软件编程，不断地将读入编码所对应的电压值与要求达到的电压值进行比较，并控制输出PWM波的占空比的大小，使得实际电压逐步接近所需要的电压，以实现单片机对输出电压的闭环测量、实时监控。
AD0804部分
由ADC0804内部的CMOS8-bitA/D转换器实现模数转换。
5.3.1.1内部结构
AD0804的内部结构图见图5-2
图520804内部结构[7]
5.3.1.2ADC0804管脚定义（如图5-3所示）
图53ADC0804
［CS］片选端
［RD］读端口
[WR] 写端口
[CLKI] 时钟输入端
[INTR] 中断输出端
[VIN+] 模拟信号正输入端
[VIN-] 模拟信号负输入端
[AGND]模拟地
[Vref] 基准电压输入端
[DGND] 数字地
[Vcc] 工作电源
[CLKR] 时钟输出端
[D0~D7] 数据输出端
5.3.2AD0804外部电路连接
图5-4ADC0804的典型连接电路（（摘自ADC0804datasheet））
图5-5ADC0804的实验连接电路（与单片机小系统的连接）
图5-6ADC0804的实验连接电路（其他引脚的连接）
5.3.2.10804编码原理决定外围电路阻值的选取
对R1和R2要合理地取值，以使VA的变化范围较大，根据4N25的datasheet上面的近似公式，我们选择了R1=2K//51K,R2=5.1K，使VA的变化区间在（3.186V—1.297V）。
定义K=（Vin+-Vin-）/Vref
Vin（+）=VA
取R3=1.8K、R4=810，使VIN（-）=1.278V<≈VAmin
即Kmin>≈0
取R5=1.5K、R6=442，使Vref/2=0.978V
（VAmax–VIN（-））/Vref<≈1
即Kmax<≈1
6单片机子系统及软件设计
6.2单片机子系统的简要介绍
实验中所使用的单片机小系统板的核心芯片是Atmel公司生产的AT89S52型，属于80C51系列单片机，它在一块超大规模集成电路芯片上同时集成了CPU、ROM、RAM、TIMER/COUNTER（定时/计数器）及高速I/O接口，8051系列单片机具备以下基本结构：
1．一个8位算术逻辑单元
2．32个I/O口4组8位端口可单独寻址
3．两个16位定时计数器
4．全双工串行通信
5．6个中断源两个中断优先级
6．128字节内置RAM
7．独立的64K字节可寻址数据和代码区
每个8051处理周期包括12个振荡周期每12个振荡周期用来完成一项操作令，计算指令执行时间可把时钟频率除以12取倒数然后指令执行所须的周期数。
6.2.1功能特性的概述
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。
微控制器AT89S52功能很强大，的可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
其具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部I/O口线，5个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
以下分别是AT89S52的封装图和内部电路方块图：
图6.1AT89S52PDIP封装格式
图6.2AT89S52内部电路方框图
6.2.2系统板上与本设计中相关部件
6.2.2.1I/O端口
P1、P2、P3口均是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平；对端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，因此可以作为输入口使用。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
6.2.2.2定时/计数器
在单片机应用和控制系统中,经常需要对某个控制参数和控制对象定时进行控制.这种定时一般可采用两种方法.一是利用延时程序来实现,但这样会降低CPU的工作效率;另
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