升压式DCDC变换实验系统设计.docx

升压式DCDC变换实验系统设计.docx

《升压式DCDC变换实验系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《升压式DCDC变换实验系统设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

升压式DCDC变换实验系统设计

吉林化工学院毕业设计说明书

升压式DC-DC变换实验系统设计

DesignofBoostDC-DCConverterExperimentSystem

学生学号：

08550227

学生姓名：

王索成

专业班级：

电气0802

指导教师：

孙黎、刘刚

职称：

讲师、副教授

起止日期：

2012.2.27-2012.6.12

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

摘要

论述了升压式DC-DC变换实验系统设计及制作的过程，经理论分析及实验调整设计出了以单片机为核心的控制电路，编制了C430语言控制程序，使用Protel绘制了印刷电路版图，制作出了原理样机。

升压式DC-DC变换实验系统主要由MSP430F169单片机系统、LCM12864显示模块、键盘电路、整流滤波电路、升压式DC-DC变换电路、PWM驱动电路和输出电压检测电路等构成。

该系统将220V交流电经降压变压器变换后转换成18V交流电，通过整流滤波转换成为直流电作为升压式DC-DC变换电路的

，然后单片机会根据操作者设定的电压值来调整PWM的脉宽来调节输出电压

，同时单片机也会根据输出电压检测电路对输出电压的采样值来进一步调整输出电压

，从而保证系统在电源电压波动或者负载变化时能及时调整输出电压

的稳定。

本系统电压输出范围20-40V，同时能够在液晶显示器上显示设定值电压和实际的输出电压值。

通过对原理样机进行检验，达到了设计的要求。

关键词：

DC-DC变换；MSP430F169；PWM

Abstract

ThispaperdiscussesthedesignandproductionprocessofboostDC-DCconvertersystemdesign.Throughtheoreticalanalysisandexperimentaladjusted,designingcontrolcircuitbasedonsingle-chipmicrocomputerasthecorecomponents,andC430languageofcontrolprocedures,mappingtheprintedcircuitdiagrambyProtelandmakingaprototype.TheboostDC-DCconvertersystemdesignismadeofMSP430F169,LCM12864display,keyboardcircuit,resistanceofrectifier-filtercircuits,boostchoppercircuit,PWMdrivingcircuit,outvoltagedetectioncircuitandsoon.Thesystemwillbe220VACbythetransformofthestep-downtransformertoconvert18VACrectifierfiltertoconvertDCasastep-upDC-DCconversioncircuit,andthenthemicrocontrolleraccordingtothevoltagevaluesetbytheoperatortoadjustthePWMpulsewidthtoregulatetheoutputvoltage,themicrocontrollerwillbebasedontheoutputvoltagedetectioncircuittoadjusttheoutputvoltagesamplingvalueoftheoutputvoltage,thusensuringthesystemtimetoadjusttheoutputvoltagestablepowersupplyvoltagefluctuationsorloadchanges.Thevoltageoutputrangeofthesystemis20-40V,atthesametimeitmakessetvalueandtheactualvalueoftheoutputvoltagedisplayontheLCM12864display.Itmeetsthedesignrequirementsaftertheinspectionoftheprototype.

KeyWords：

DC-DCconverter；MSP430F169；PWM

第1章绪论

1.1课题背景和意义

DC-DC直流变换作为开关电源的一个重要组成部分，广泛应用于工业生产、家用电器、计算机、航天卫星、军事科研等领域中，用于对电能进行转换、加工和调节。

因此，近年来DC-DC变换器的研究倍受关注。

随着软开关技术的发展，新颖的控制方法不断采用，DC-DC变换器也不断的朝着高效率、高可靠性的模块化开关电源方向发展。

传统直流稳压电源中的DC-DC变换是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，这种变换稳压精度不高、电路结构复杂、不易校准，而采用单片机的数字式控制能使DC-DC变换较好地解决了以上问题。

1.2DC-DC变换器的定义及分类

直流斩波电路（DCChopper）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也成为DC-DC变换器。

DC-DC变换器的种类较多，包括6种基本的斩波电路：

降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路[1]。

1.3DC-DC变换器的基本工作原理

降压斩波电路和升压斩波电路的应用最为广泛，理解了这两种电路对理解其它类型的斩波电路有很大的帮助，下面分别对这两种斩波电路的工作原理进行介绍。

1.3.1降压斩波电路

降压斩波电路（BuckChopper）的电路结构如图1-1所示。

该电路中V是全控型器件；VD是续流二极管；L是储能电感；EM是负载出现的反电动势。

典型的用途之一是拖动直流电机，也可带蓄电池负载。

图1-1降压斩波电路

图1-2降压斩波电路工作波形图

1．工作作原理

（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压

，负载电流io按指数曲线上升。

（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

降压斩波电路波形图如图1-2所示。

2．数量关系

（1）电流连续时负载电压平均值

设连续电流为Io，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为

，负载和蓄电池吸收能量为

，得：

（1-1）

其中，ton—V通的时间；toff—V断的时间；a—导通占空比。

A小于等于1，可将降压斩波器看作直流降压变压器。

负载电流平均值：

（1-2）

（2）电流断续

开关电源不允许出现状态，Uo被抬高，可通过加大电感或提高PWM控制信号频率方法解决。

1.3.2升压斩波电路

降压斩波电路（BoostChopper）如图1-3所示。

该电路中L是储能电感；V是全控型器件；VD是二极管；C是储能电容。

图1-3升压斩波电路

1．工作原理：

假设L和C值很大。

V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，

并向负载提供能量。

升压斩波电路的工作波形如图1-4所示。

图1-4升压斩波电路工作波形

2．数量关系：

（1）设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为

；

（2）设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为

；

（3）稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等。

即

（1-3）

化简得：

（1-4）

，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路，T/toff为升压比；升压比的倒数记作β，即

（1-5）

β和α的关系：

（1-6）

因此，上式可表示为

（1-7）

电压升高的原因：

电感L储能起到使电压泵升的作用，电容C可将输出电压保持住

如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即

。

（1-8）

其中I1是假设的电源电流平均值。

与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。

输出电流的平均值Io为：

（1-9）

电源电流的平均值I1为：

（1-10）

1.4课题要求及系统框图设计

本课题要求的是设计一个升压式DC-DC变换实验系统，本系统能根据操作者的设定值输出相应的直流电压，电压输出范围20-40V，并能够在显示屏上显示输出电压的数值。

系统主要由整流滤波电路、DC-DC升压斩波电路、PWM驱动电路及输出电压检测电路等构成。

升压式DC-DC变换实验系统的基本工作原理是利用MSP430F169单片片内的TimerA发出一路PWM信号经驱动电路后使升压式DC-DC变换电路工作，然后通过输出电压检测电路将采集到的输出电压值反馈给MSP430F169单片机中进行闭环控制，系统结构框图如图1-5所示。

图1-5系统结构框图

第2章MSP430F169单片机系统设计

MSP430F169单片机系统是由单片机芯片、时钟电路、复位电路、显示电路构成。

2.1MSP430F169单片机的简介

2.1.1MSP430单片机的发展

MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已得到广泛应用。

MSP430系列单片机的发展过程，可以分为三个阶段：

开始阶段从1996年推出MSP430系列开始到2000年初这个阶段，首先推出33X、32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X和11X1系列。

MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。

每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）和EPROM型（E）等芯片。

EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。

这也表明了这几个系列的开发模式，即：

用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适合大批量生产的产品[2]。

2000年推出了11X/11X1系列。

这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。

这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。

它的许多重要特性，如：

片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备。

33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。

当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。

而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。

寻找突破，引入了Flash技术随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。

在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。

F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。

F43X、F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。

并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间[3]。

MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。

这时TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430[4][5]。

引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。

于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。

2.1.2MSP430F169单片机结构及特点

MSP430F169单片机结构图如图2-1所示。

MSP430F169单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。

16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

MSP430F169单片机的中断源较多，使用时灵活方便。

当系统处于省电的低功耗状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。

由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在等待方式下，耗电为0.7uA，在低功耗方式下，最低可达0.1uA。

上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。

如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

MSP430F169单片机集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A、定时器B、USART、硬件乘法器、10位/12位ADC、DAC、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口，可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达48条I/O口线；P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；D/A转换器可实现两路的12位D/A转换；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

这也是本方案选择MSP430F169单片机的原因所在。

图2-1MSP430F169单片机结构图

2.1.3MSP430F169单片机引脚说明

MSP430F169单片机外形图如图2-2所示。

图2-2MSP430F169单片机外形图

由图2-2可知MSP430F169单片机为64引脚封装，48个数字I/O，其中大部分引脚有复用功能。

2.2单片机小系统设计

MSP430F169单片机小系统电路如图2-3所示。

由MSP430F169芯片、复位电路、低速时钟电路（32768Hz）和高速时钟电路（8MHz）等元件构成[6]。

图2-3MSP430F169单片机小系统电路

2.3显示器LCM12864简介

LCM12864显示器是一款功能强大的液晶显示器，可以显示汉字、数字、字符以及图形，只要在相关软件中输入想要显示的数字、字符和汉字，就可生成相应的数字编码，将该编码通过单片机按照一定的时序送入显示器，即可实现显示功能。

2.3.1中文图形液晶显示模块主要特性

LCM12864系列产品软件特性如下：

1．文字与图形混合显示功能；

2．画面清除功能；

3．光标归位功能；

4.显示开/关功能；

5．光标显示/隐藏功能；

6．显示字体闪烁功能；

7．光标移位功能；

8．显示移位功能；

9．垂直画面旋转功能；

10．反白显示功能；

11．休眠模式。

2.3.2模块的硬件说明

各引脚的功能如图2-4所示。

图2-4各引脚功能

2.3.3操作时序

对LCM12864液晶显示器可以进行读写操作，从而实现控制器件与显示器的通信，完成信息显示的功能。

LCM12864液晶显示器有一套完整的控制时序，现介绍如下：

1．8位并口写操作时序图

8位并口写操作时序图如图2-5所示。

图2-58位并口写操作时序图

2．8位并口读操作时序图

8位并口读操作时序图如图2-6所示。

图2-68位并口读操作时序图

3.4位并口时序图

4位并口读操作时序图如图2-7所示。

图2-74位并口时序图图

4．串口时序图

串口时序图如图2-8所示。

图2-8串口时序图

5．外部复位时序图

外部复位时序图如图2-9所示。

图2-9外部复位时序图

2.3.4初始化流程

上电后LCM12864按图2-12所示顺序进行初始化即可完成初始化。

图2-12LCM12864初始化流程

2.4键盘电路设计

本系统能根据操作者的设定值输出相应的直流电压，所需按键数量很少，可使用按键与单片机的I/O口直接连接的方法构成，具体电路如图2-13所示。

本设计通过程序的手段消除和减小按键按下和按键放开过程中所产生的波动信号对系统的影响。

图2-13键盘电路

第3章升压式DC-DC变换电路设计

3.1整流滤波电路的设计

本设计的电源输入为交流220V的电网电压（即市电），通过交流变压器将其转换为18V的交流电，经桥式整流电路和滤波电路后把交流电转换为直流电，如图3-1所示。

桥式整流与半波整流相比，输出电压的脉动小很多[7]。

由于要进行DC-DC变换，对直流的要求不是很高，所以在整流后进行LC滤波，以减小整流后直流电中的脉动成分。

图3-1整流滤波电路

3.2升压式DC-DC转换电路的设计

升压式DC-DC转换电路由电感L2、电力场效应管Q1（IRF540）、二极管D2以及电容C3组成，具体电路如图3-2所示。

图3-2升压式转换电路

IRF540是IR公司采用先进的技术生产的N沟道场效应管，具有先进的技术工艺、超低的通电阻（

）、快速的转换速率以及耐高温（工作温度可达

）等特性。

其导通电流

，漏源电压

，满足本设计的要求。

IRF540一般采用TO-220的封装形式，如图3-3所示。

图3-3T0-220封装形式

3.3PWM驱动电路

由于MSP430单片机IO引脚产生的PWM信号的驱动能力弱，如直接作为IRF540正常工作的驱动信号，将使IO引脚损坏[8]。

本设计将单片机产生的PWM信号经三极管电平转换后与IR2101芯片连接驱动IRF540，使其正常工作，具体电路如图3-4所示。

图3-4PWM驱动电路

IRF2101是高电压、高速度的电力MOSFET和IGBT的驱动器，其输入电压与标准的CMOS或者LSTTL电平相兼容，输出驱动电压范围10V-20V，满足本设计的要求。

3.4输出电压检测电路

本设计的输出电压为20V-40V，而MSP430单片机的A/D转换基准电压为2.5V，因此需要把输出电压分压后送给单片机的A/D转换器，以供电片机采集数据进行处理。

选取

，

，因此当系统输出电压为40V时，单片机A/D转换器的输入电压为2.0V左右，将获得的2.0V电压送给运放的同相端，运放的反相直接与输出相连，构成电压跟随器[9]。

分压电路和输出电压检测电路分别如图3-5和图3-6所示。

图3-5分压电路

图3-6输出电压检测电路

第4章软件流程设计

4.1IAREmbeddedWorkbenchIDE软件使用

4.1.1IAREmbeddedWorkbenchIDE简介

嵌入式IAREmbeddedWorkbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器,使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。

它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。

MSP430单片机可以通过IAR编辑、编译C程序并下载到目的单片机以实现对单片机的控制[10]。

4.1.2IAREmbeddedWorkbenchIDE操作步骤

1．创建一个workspace。

2．创建一个project。

3．创建并编辑一个C文件并加载到创建的workspace。

4．设置目的芯片型号。

5．设置仿真器类型。

6．编译并下载到目的单片机。

4.2反馈调节设计

反馈调节流程图如图4-2所示，单片机根据电压给定值和电压采样值进行电压差值计算，然后通过PI控制程序去调节PWM的输出。

图4-1调节流程图

4.3主程序

主程序流程图如图4-2所示，单片机的主程序主要完成系统片内功能模块的初始化，包括打开看门狗、系统时钟初始化、IO端口初始化、定时器A初始化、AD转换模块初始化和显示模块初始化。

系统各模块初始化完毕后，单片机进入低功耗模式休眠等待定时器A和看门狗定时器唤醒执行相应的子程序[11]。

图4-2主程序流程图

4.4看门狗中断子程序

看门狗定时器中断程序流程图如图4-3所示，看门狗定时器定时时间为250ms，扫描是否有按键按下并更新屏幕显示；若检测到有按键被按下则执行相应程序，可完成设定电压输出值等设置。

图4-3看门狗定时器中断程序

4.5定时器A中断子程序

定时器A中断程序流程图如图4-4所示，定时器中断时间约为24.4ms，主要处理AD转换和闭环调节的相应程序。

图4-4定时器A中断程序

第5章印刷电路板设计

5.1印刷电路板基本概念

印刷电路板在电器中主要起到以下几方面功能：

1．焊接固定电子器件；

2．用铜箔导线按电路原理图连接各个元器件；

3．利用敷铜形成屏蔽保护。

电路板中大面积敷铜的目的，就是为了消除电磁干扰和地线干扰[11]。

为了更好的了解电路板功能和设计电路板，首先介绍印刷电路板中的几个概念：

1．层（Layer） 

Protel中的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。

现今，由于电子线路的元件密集安装和防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线用，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔。

例如，现在的计算机主板所用的材料多在4层以上。

这些层因加工相对较难而大多用于设置成走线较为简单的电源、地线布线层，并常用大面积填充的办法来布线。

上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用所谓“过孔（Via）”来连通。

2．过孔（Via）

为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。

工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。

一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：

（1）尽量少用过孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙。

（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。

3．丝印层（Overlay）

为方便电路的安装和维修等，