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开关直流稳压电源
2013年全国大学生电子设计大赛报告
【专科组】
直流稳压电源及漏电保护装置（L题）
摘要：
在科技日新月异的现代，随着电子技术，自动化技术，IC技术等的高速发展，出现了各种各样的电子设备，如计算机、电视机、通信设备、工业控制设备、服务器、路由器和医疗仪器等。
在电子设备内部，各种各样的IC电子电路和执行装置都需要电源。
电子设备由于要完成许多先进、高级的功能，对供电电源的精度、稳定性、动态想响应能力及其他很多指标都有非常高的要求，而电网直接提供的交流电或电池直接提供的直流电是随环境、时间或负载变化的，它们不能直接成为电子设备所需的内部电源。
将电网或电池提供的一次电能转换为符合电子设备要求的二次电能，这样的设备便是电源。
电源是一切电子设备的心脏，是所有电子设备的动力，没有电源，电子设备就不能工作。
关键字：
电子设备交流电二次电能电源
Abstract:
inmodernscienceandtechnologychangerapidly,alongwiththedevelopmentofelectronictechnology,automationtechnology,therapiddevelopmentofICtechnology,theelectronicdevicesofallkinds,suchascomputer,television,communicationsequipment,industrialcontrolequipment,server,routerandmedicalinstrumentsetc.Intheelectronicequipment,ICelectroniccircuitandexecutorofallkindsneedpowersupply.Electronicequipmentduetobecompletedmanyadvanced,advancedfunctions,accuracy,stability,dynamicpowersupplytoresponseabilityandmanyotherindicatorshaveaveryhighdemand,whiletheDCACpowerdirectlyordirectlytothebatteryisprovidedwiththeenvironment,timeorloadchanges,theycannotbedirectlyintoaninternalpowersupplyelectronicequipmentrequired.
Thepowerorbatteryprovidesanelectricalenergyisconvertedtomeettherequirementsofelectronicdevicetwopowers,suchequipmentispower.Thepowerelectronicequipmentisallheart,isthedrivingforce,allelectronicdeviceswithoutpowersupply,electronicequipmentcannotwork.
Keywords:
electronicequipmentACpowersupplytwo
目录
1.系统设计1
1.1设计要求1
1.2.总体方案设计1
1.2.1设计思路1
1.2.2控制系统2
1.2.3方案论证与比较2
2.单元模块设计4
2.1TL494构成的PWM控制器电路的设计4
2.2单片机检测电路的设计6
2.2.1单片机显示电路的设计6
2.3电压、电流检测电路的设计8
3.系统调试9
4.系统测试10
4.1测试使用的仪器10
4.2指标测试和测试结果10
4.2.1输出电压电流的测试10
4.2.2电压调整率的测试11
4.4.3负载调整率的测试11
5.设计总结12
参考文献：
12
附录12
附录1：
元器件清单12
附录2：
系统电路图13
前言：
电源是一切电子设备的动力，此次设计的是一台额定输出电压为5V，额定输出电流为1A的直流稳压电源。
输出端电压接一个5Ω的电阻作为负载，该设计的输入电压在7~25V之间变化，其输出电压要求为5±0.05V。
当输入电压在5.5~7V变化时输出电压仍为5±0.05V。
采用TL494组成控制电路输出5V电压和1A电流，直流稳压电源通过控制调整管的导通时间达到稳定输出电压的目的。
整个工作周期中，调整管相当于一个开关，工作在截止和饱和状态，等效于开关的断开和闭合。
因此开关直流稳压电源功耗很低、工作效率很高、质量轻、体积小等优点。
同时电路中也有电流电压检测电路，实时检测电源的输出功率。
1.系统设计
1.1设计要求
设计一个额定输出电压为5V，额定输出电流为1A的直流稳压电源。
输出端接负载RL阻值固定为5Ω。
当直流输入电压在7~25V变化时，要求输出电压为5±0.05V，电压调整率SU≤1%。
当直流输入电压在5.5~7V变化时，要求输出电压为5±0.05V。
直流输入电压固定在7V，当直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时，要求负载调整率SL≤1%。
并制作一个功率测量与显示电路，实时显示稳压电源的输出功率。
1.2.总体方案设计
1.2.1设计思路
题目要求设计一个直流稳压电源额定输出电压为5V，额定输出电流为1A。
考虑到效率的问题决定设计一个开关直流稳压电源，使用TL494组成降压式开关电源，TL494包含了开关电源控制所需的全部功能。
数显部分使用LED数码管显示该直流稳压稳压电源的输出功率。
控制部分采用C8051F410单片机控制数码管的显示。
总体设计框图如图1-2-1所示：
图1-2-1
1.2.2控制系统
电压型PWM控制电路TL494
TL494组成降压式开关电源，该设计采用降压式变换器，输出控制端（13脚）接地（低电平）。
为了增大输出控制脉冲的驱动电流，两个输出管的集电极（8脚和11脚）并联，驱动功率开关管。
输出电压直接采样送到误差放大器1的同相输入端，误差放大器1的反向输入端接基准电压+5V（14脚），误差放大器2组成输出过流保护电路（1.4A），误差放大器输出端（3脚）接有增益控制电阻和相位校正网络。
TL494内部框图如图1-2-2所示：
图1-2-2
单片机检测功率电路
使用C8051F410单片机内部的ADC检测电路输出的电压，电流经过模数转换和相关计算后送给数码管显示出输出功率。
因为C8051F410的ADC0子系统集成了一个27通道的模拟多路选择器（AMUX0）和一个200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和硬件累加器。
ADC0子系统有一种特殊的突发方式（Burstmode），该方式能自动使能ADC0，采集和累加样本值，然后将ADC0置于低功耗停机方式，而不需CPU干预。
AMUX0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置。
ADC0输入为单端方式，可以被配置为用于测量P0.0~P2.7温度传感器输出、VDD或GND（相对于GND）。
只有当ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1或在突发方式执行转换时，ADC0子系统才被使能。
当AD0EN位为0时或在突发方式下不进行转换时，ADC0子系统处于低功耗关断方式。
1.2.3方案论证与比较
1.脉宽调制PWM芯片的设计方案论证与选择
方案一：
采用SG3524芯片
SG3524芯片可以直接产生脉宽调制信号，但是这种电路产生的波形线性不好，达到要求较难，产生PWM方波时所需要的外围线路简单。
而且它产生的脉宽调制波的占空比不高，波形不理想，且由SG3524所做的逆变器不允许带感性负载。
方案二：
采用TL494芯片
TL494芯片的主要特征是，它集成了全部的脉宽调制电路，芯片内置线性锯齿波振荡器和误差放大器，且外置振荡元件就两个，一个电容和一个电阻，线路较简单，稳压精度为5V±5%.芯片内置5V的参考基准电压源，可不用外接电源。
而且其内置功率晶体管能够提供0.5A的驱动能力，使得设计的电路能够提供不间断的交流电，同时满足电路简单，体积小得要求。
芯片的输出方式为推或拉两种。
综上所述，选择方案二采用TL494芯片，它具备软启动功能，还可调整死区时间，同时还具备输入，输出，过压、过热保护，所以选择方案二。
2.数码管驱动芯片的方案论证与选择
方案一：
采用74LS164
这是一片带锁存的串入并出芯片，需要占用单片机的2或3根线，MR为输出状态清除，本身驱动电流不大，驱动LED需要另外加三极管或者驱动芯片。
对单片机的端口使用较多，并且对单片机的扫描是全时的。
方案二：
采用CH452
CH452芯片是高速键盘扫描控制芯片，每片可接8×8的矩阵键盘。
CH452芯片专门用于LED、数码管、按键的驱动显示。
一片芯片可以控制8个数码管和64个按键。
以动态扫描的形式对每一位分别点亮，大幅度节约电力。
同时对按下的按键能够产生中断，节约单片机宝贵的处理等待时间。
可选2线或4线接口，减少单片机IO口的使用。
这块芯片难能可贵之处是可以直接输入BCD码的数码管数据，也就是在单片机端根本不需要使用译码这一步骤，又一次增加了单片机的时间。
综上所述，选择方案二使用CH452芯片驱动数码管。
3.单片机的方案论证与选择
方案一：
AT89C51单片机
AT89C51单片机标准功能有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
方案二：
C8051F410单片机
C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。
下面列出一些主要特性：
高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达50MIPS），全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真12位200ksps的24通道ADC，带模拟多路器，两个12位电流输出DAC，高精度可编程的24.5MHz内部振荡器，达32KB的片内FLASH存储器，2304字节片内RAM，硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口，4个通用的16位定时器，具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至1V，带64字节电池后备RAM和后备稳压器，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，多达24个端口I/O等。
C8051F410还具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F410器件是真正能独立工作的片上系统。
综上所述，选择方案二采用C8051F410单片机其内部的ADC采样时间可以直接对输出电压、电流进行采样，经过处理送给LED数码管显示电源的输出功率。
AT89C51单片机内部没有这种功能，因此采用C8051F410单片机。
2.单元模块设计
2.1TL494构成的PWM控制器电路的设计
PWM控制是指在开关工作频率（即开关周期Tn）固定的情况下，直接通过改变导通时间（T0N）来控制输出电压U。
的一种方式。
也就是通过改变开关导通时间T0N来改变开关控制电压的脉冲宽度。
PWM控制器一般由基准电压稳压器、振荡器、误差放大器和脉冲控制电路组成。
其中基准电压稳压器[10]的作用是为电路提供稳定的电源。
振荡器的作用是为PWM比较器提供一个锯齿波信号和与之同步的驱动脉冲控制电路的输出同步信号。
其振荡频率可由外部电容Cext和电阻Rext来设定。
误差放大器用于将电源输出电压与基准电压进行比较。
脉冲控制电路的作用是以正确的时序使输出晶体管导通,其结构如图2-1-1
图2-1-1
通过适当的外接电路，不但可以产生PWM信号输出，而且还有多种保护功能。
TL494含有振荡器、误差放大器、PWM比较器及输出级电路等部分。
振荡器（OSC）振荡频率由外接元件R、C决定，表达式为
1.工作频率：
已知工作频率Fosc为30～40kHz，根据
，取
R1=10KΩ、C2为3300PF。
2.开关管的选择：
开关管VT在电路中承受的最大电压是U，考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电压的影响，所以开关管的最大电压应满足＞1.1×1.2U。
实际在选定开关管时，管子的最大允许工作电压值还应留有充分的余地，一般选择（2~3）1.1×1.2U。
开关管的最大允许工作电流，一般选择（2~3）I。
开关管的选择，主要考虑开关管驱动电路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。
本设计选择P沟道功率场效应管IRF9540，该器件的VDSM=100V，IDM=19A，完全满足设计要求
3.输出电压：
由公式
Uref=5V
4.续流二极管：
选用快恢复二极管，反向偏压为
，峰值电流大于
，IN5822～3A/40V满足要求。
5.输出电容：
一个工作周期共向输出电容充电荷
纹波
，则
，通常取
，
能满足要求。
6．储能电感的选择：
根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部分。
假若忽略电路的内部损耗，则变换器的输出能量和变换器的输入能量相等，即
，所以
即从电源取出的平均电流也就是流入电感的平均电流。
电感电流的纹波分量是三角波，在TON期间，电流的增量为
；在TOFF期间，电流将下降，其减少量为
；在稳态下，
。
在选择△I时，一般要求电感的峰值电流不大于其最大平均电流的20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或等于零。
实际设计时，选择电感电流的增量
，所以
开关频率给定的情况下，计算电感量为1mH，实际选择3mH的电感，因此自己绕了个电感。
TL494的稳压原理
若某种原因导致输出电压过高，则误差放大器1同向端电位升高，反馈/PWM端电位上升，Q1管导通时间减少，占空比减少，结果输出电压减少。
最终使输出电压保持稳定，R7左端的点电压为5V。
为误差放大器1的静态放大倍数，影响控制精度。
原理图如下图2-1-2所示：
图2-1-2
2.2单片机检测电路的设计
2.2.1单片机显示电路的设计
检测电源的输出功率我们使用新华龙的C8051F410单片机，CH452驱动数码管显示输出功率。
CH452对数码管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0至DIG7，当其中一个引脚吸入电流时其他引脚不吸入电流。
CH452内部具有电流驱动级，可以直接驱动0.5英寸至1英寸的共阴数码管，段驱动引脚SEG6～SEG0分别对应数码管的段G～段A，段驱动引脚SEG7对应数码管的小数点，字驱动引脚DIG7～DIG0分别连接数码管的阴极。
电路图如下图所示电路如下图2-2-1所示：
图2-2-1
使用的C8051F410单片机的最小系统原理图如下图2-2-2所示：
图2-2-2
单片机检测输出功率的流程图如下图2-2-3所示：
图2-2-3
2.3电压、电流检测电路的设计
电压电流检测电路如下图2-3-1所示：
图2-3-1
检测点采样到的电流信号经LM358进行放大输出送给输出端子送入单片机。
电压的采样是在直流电源的输出端子，采样到的电压信号经输出端子也送到单片机，单片机收到的电流、电压信号经过处理计算得到电源的输出功率，送给数码管显示电源的实时功率。
以下程序是单片机对收到的电压、电流信号进行功率运算，送给数码管显示的程序如下：
{adr1=（ADC（0X08）+adrl1*4）/5;//数字滤波（利用程序或算法，减少干扰信
//在有用信号中的比重）
{adrl1=adr1;
ads1=adr1*1223L;//（这是采集5.00V电压用的标度变换值为1223）
adj1=ads1/10000;
adr2=（ADC（0X09）+adrl2*4）/5;
adrl2=adr2;
ads2=adr2*245L;//标度变换,（这是采集1.005V电压用的标度变换式）
adj2=ads2/10000;
ad=（adj1*adj2）;}
if（P2_0==0）
{dispbuff[7]=adj1/1000;//送显示缓冲区//32;此时显示的//是功率
dispbuff[6]=（adj1%1000）/100+0x10;
dispbuff[5]=（adj1%100）/10;
dispbuff[4]=（adj1%10）/1;}
elseif（P2_1==0）
{dispbuff[3]=（adj2/100）+0x10;//+0x10是表示要加上小数点的显示位
dispbuff[2]=（adj2%10）/1;
dispbuff[1]=（adj2%1）/10;
dispbuff[0]=（adj2%1）/10;}
else
{dispbuff[7]=32;//送显示缓冲区
dispbuff[6]=29;//29是表示要等号
dispbuff[5]=（ad%100000）/10000+0x10;
dispbuff[4]=（ad%10000）/1000;
dispbuff[3]=（ad%1000）/100;
dispbuff[2]=26;//（ads2%1000000）/100000;
dispbuff[1]=26;//（ads2%100000）/10000;
dispbuff[0]=26;//（ads2%1000）/100;}DISPLAY（）;//显示AD转换的结果
3.系统调试
1.用示波器观察TL494的5脚有没有锯齿波，测出锯齿波的频率，约为23KHz。
调占空比在TL494的3脚加0~3.3V的控制电压，当最高电压为3.3V时占空比为0，当电压为0V时占空比最大。
测量8脚、11脚观察占空比的大小。
2.测试TL494的5脚电压为5V，得知TL494的基准电压为5V，调节输入电压，在8脚、11脚观察输出波形为可调节占空比的矩形波，说明TL494己经正常工作，顺次向后检测各点电压，用万用表观察输出电压大小，如有故障，可进一步维修检查，至到输出电压为5V为止。
3.由于TL494的典型电路中的开关管是一个达林顿三极管，它正常工作的管压降为1.4Ｖ，无法达到使输入5.5Ｖ，使输出5Ｖ电压，因此我们选用了IRF9540管作为开关管，使ＴＬ494能正常工作于开关状态，输出可调节占空比的矩形波。
4.不断调试自己所做直流稳压电源，使输出电压能够稳定到5Ｖ左右。
4.系统测试
4.1测试使用的仪器
测试使用的仪器设备如表所示。
序号
名称
数量
备注
1
数字示波器
1
深圳市安泰信电子有限公司
2
多组输出直流电源供电器
1
固纬电子有限公司
3
数字万用表
1
胜利德电子仪器有限公司
4.2指标测试和测试结果
4.2.1输出电压电流的测试
对开关电源输出的电压电流进行测试，测试表如下：
测试项目
输入电压（V）
实际输出（V）
输出电流（A）
备注
输出电压电流
7
4.98
1.07
负载电阻为5Ω
10
4.98
1.07
13
4.98
1.06
15
4.98
1.06
17
4.98
1.06
23
4.98
1.07
25
4.98
1.07
测试结果如上表所示与要求输出的5±0.05V电压、1A的电流略有差异，这可能跟使用的测量仪表的精度有关，而且元器件本身的实际值与理论值也存在误差。
当输入电压在5.5V~7V之间变化时输出电压测试表格如下：
输入电压（V）
输出电压（V）
测试指标
5.5
4.72
输入电压是5.5~7V变化时，输出电压略有不稳现象。
6.0
4.98
6.5
4.98
7
4.98
当输入电压在5.5V~7V变化时，设计的开关电源的输出也基本保持在5±0.05V，说明开关电源在低压时也能输出稳定的5V电压。
4.2.2电压调整率的测试
当输入电压在7~25V变化时电压调整率如下表所示：
测试项目
输入电压（V）
输出电压（V）
电压调整率
电压调整率
Ui1=7Ui2=25
Uo1=4.98Uo2=4.98
SU=（Uo2-Uo1）/Uo1=0%
电压调整率定义为
Uo1是直流输入电压为7V时的输出电压，Uo2是直流输入电压为25V时的输出电压.
经过测试电压的调整率为0与题目设计要求的SU≤1%相符合。
4.4.3负载调整率的测试
直流输入电压固定在7V，当直流稳压电源输出电流由1A减小到0.01A时，负载调整率表格如下：
测试项目
输入电压（V）
输出电压（V）
负载调整率
负载调整率
Uo1=4.99
Uo2=4.98
SL=（Uo2-Uo1）/5=0.2%
负载调整率定义为
，Uo1是负载电阻为500Ω时的输出电压，Uo2是负载电阻为5Ω时的输出电压
测试的负载的调整率为0.2%符合题设要求的SL≤1%。
5.设计总结
在小组成员几天的努力下，设计的电源已经完成，测试各项指标也基本能够达到要求。
对设计结论的分析可知，设计电路时因电阻电容存在误差，按理论得到的电路带载能力较小，可适当增减电阻阻值来提高电路的带载能力,适当的提高阻值。
设计的直流开关电源，电路对纹波有一定的要求，试验过程中发现电源电路的纹波较大，增大输出电容来减小纹波。
直流开关电源制作过程中，我们小组遇到了许许多多的困难，按照要求，电源已经基本完成了题目要求的任务。
初次参赛缺少经验和一定的相互配合以及相应的理论知识，这次参赛是对我们的自学能力和动手能力的考验。
这次参赛使我们分析问题的能力和解决问题的能力得到了进一步的提升。
电源的制作工作量饱满，体现了团队合作精神。
在这次设计中也有很多的不足之处，我们缺少模电、数电理论知识，硬件设计方面很是不足，今后会更多的学习。
小组成员锲而不舍的精神则是整个设计制作的支柱。
参考文献：
[1]陈学锋.电源技术基础.黄河水利出版社，2011.08
[2]杨成立，董蕴华.数字电子技术.黄河水利出版社，2011.09
[3]李红梅，李雪.模拟电子技术.黄河水利出版社，2012.01
[4]马洪涛.开关电源制作与调试.中国电力出版社，2010.05
[5]张建生.电源技术教程.电子工业出版社，2007.12
[6]辛伊波，陈文清.开关电源基础与应.西安电子科技大学出版社，2009.10
附录
附录1：
元器件清单
序号
名称
型号
数量
序号
名称
型号
数量
1
集成芯片
TL494
1
8
电阻
3K6
1
2
二极管
IN5822
1
4K7
5
3
电感
3mH
1
1K
1
4
场效应管
IRF9540
1
1.2K
1
5
电解电容
1000uF/25V
1
10K
2
50u
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