全国大学生电子设计大赛国家一等奖题文档格式.doc

1、方案一：反激变换器，该拓扑通过改变PWM的占空比，既可以实现升压，也可以实现降压，拓扑本身能防止电流倒灌，而且结构比较简单，成本也稍低。由于此电路在小功率情况下工作时，变压器的漏感和肖特基二极管的损耗相对较小，所以效率也比较高，但是在频率很高时回路中的电流连续，容易使磁芯内磁通所在周期的重复逐次增加，导致磁芯的饱和。方案二：推挽式（变压器中心抽头），这种电路的特点是：对称型结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通段。高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、输出功率大，两管基极均为低电平，驱动电路简单。如果电流不平衡，变压器有饱和的危险，变压器绕组利用率低对开关管的耐

2、压只要求比较高（至少是电源电压的两倍）。方案三：Buck型DC-DC降压斩波电路，这种电路容易实现，如图所示：图1.2 Buck降压斩波电路方案比较：方案一技术成熟，但由于电路结构上的原因，很难调试，方案二干扰较小但是较难达到较高的指标且变压器有易饱和的危险，方案三结构简单，调试方便，控制简单。所以采用方案三。1.2电流均流控制的选择采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，经单片机处理后送入DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值，再经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。采用硬件闭

3、环控制方案。硬件闭环稳流的典型电路如图1.3 所示，采用单片机来控制集成运放反馈型的电流源，使其电压电流和负载电阻匹配，通过调节负载即可实现。集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态只要外接几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用作恒流源，通过负反馈的作用，使加在比较器两端的电压相等，从而保持输出电流的恒定。图1.3 闭环稳流电路图基准电压可以有手动调节，也可以采用单片机经过DAC提供，给定不同的基准电压，从而恒定不同的电流值。方案一最大的问题是：若输入电源电压或负载发生变化，都需要经过一段时间调整后才能使电流稳定。方案选择：方案二硬件电路不仅简单而且又能快速得实

4、现稳定的电流输出，故本系统采取方案二。1.3均流方案的论证由于该系统是由两路DC/DC输出构成的并联电源系统，来增大输出电流和输出功率。开关电源要实现并联就必须解决功率分配的问题，即均流技术的实现。该系统每一条支路都可以等效为一个电压源和一个电流源的并联，总系统相当于两个恒流源的并联。开关电源并联系统中最常用的方法有外部特性下垂法、主从电源法、按平均电流自动均流法，此外还有专门为并联均流设计的控制芯片，这些方法重点是提高并联系统的均流度，对于和负载一起组成的系统其输出电流控制基本属于开环状态，一旦负载发生变化，其输出总电流也会发生变化，不能满足恒流输出的要求。为了满足输出电流在一定范围内可调并

5、且能够提供人机交互界面，本电源并联系统中采用以单片机ATmega128为主控芯片的控制器，提高了可操作性。为了提高反馈电路的信噪比，采用4个0.1欧/10W的取样电阻，两两串联再并联，来采集输出总电流的大小，转换成电压，送入单片机的AD，单片机根据采样回来的总电流进入不同的模式自动分配电流比。连接电路如图1.4所示。图1.4 均流方案的实现1.4测量电路的选择由题意可知电压要测输入UIN、输出电压UO，电流要测输入电流IIN 、输出电流IO、两路电流I1、I2，测量电压我们选择电阻分压后再经过单片机的A/D转换，即可得到电压值。输入电流IIN 、输出电流IO，利用专门的芯片侧电流芯片ACS71

6、2，利用霍尔效应把电流转化为电压，它们的关系是线性的，通过电压就可测得电流，两路电流I1、I2通过检测小电阻两端的电压来实现，通过，即可得到所测电流值。二、系统理论分析2.1总体方案的分析题目要求直流输出电压一直保持在8V，而输出电流在变，负载电阻也在变，这样我们就能通过,调节电流使电流I符合题目要求，调节电阻，电压不变。系统设计框图如图2.1所示，输入电压经DC/DC转换，输出经过两路恒流源电路。两路电源并联为负载供电。单片机控制系统的供电由DC/DC稳压输出线性电源提供5V的电源。恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能，用户通过键盘设定输出两路电流的比例，由MCU处

7、理经 DAC转换为控制电压，分别送入两路恒流源从而控制两路输出电流的大小。同在LCD上显示系统的相关信息。 图 2.1 系统总体框图2.2理论分析及计算2.2.1 DC/DC电路参数计算1、 开关频率的选择考虑到单片机的效率和为减小开关管的损耗并得到可接受的高频噪声，经反复实验，选择开关频率为：15k。2、 电感的选择根据设计需求，主模块的占空比Dmax=8.4/24=0.35由题目要求输出电流纹波绝对值不大于5%，取=10%由，求的电感值为0.913.3mH，取3.3mH。3、 Buck电路电容的选择可以确定与纹波有关的LC滤波器转交频率的位置：，其中，f为15k，=0.8，于是，1.82k

8、。根据，求得电容为C=1350uF,用两个1000uF的代替了。三、电路与程序设计3.1电路的设计1、DC/DC Buck电路的设计Buck降压电路由电感、电容、开关管、续流二极管组成，其参数如上面计算得到，其输出电压Uo=，拓扑结构为图1.1。PWM信号由单片机产生，驱动芯片使用IR2110来驱动。2、数控恒流源的设计电路原理3.1所示,使用10位的D/A转换芯片TLC5615 完成DA 转换，DAC 1024的分辨率充分满足电流精度为小于5%步进的要求。DAC 的输出控制运放U17 和MOS管 将电压转换为相应的电流值。同时输出电流流经采样电阻0.1得到采样电压经运放U18放大21倍后反馈

9、给运放U17，由此形成硬件闭环控制。该闭环控制最终导致运放U17两端的电压相等，而TP3的电压值即为R20两端电压值经U5B 放大后的值。因而改变TP2电压值即可改变R20 两端电压,从而控制流经RL的电流值。采样电阻选择：对电阻而言，减额因子：S=实际功率/额定功率0.5，因此电阻的功耗I2R应尽量小，同时应避免温度过高引起阻值变化过大使得输出电流值产生偏差。鉴于以上考虑，此电路选用0.1/10W的电阻。为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电路将4个0.1/10W的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。;图3.1 电流源电路3、均流部分设计 由于采

10、用两路DC/DC供电系统，并且题目要求两路并联供电，则要求两路供电系统的协同工作，并且电流要均衡分配。该系统的两路电流连接结构如图3.2所示，将负载接到MOS管的D极，这样做使S极采样不为支路电流了。若将负载接到S极，如图3.2（a）所示则两路电流不均衡时可能会相互影响，不能稳定，除非采用电流传感器进行电流采样。综合考虑本系统采用了如图3.2（b）所示的电路结构。加上二极管可以实现将两路电流隔离，是在电流不均流的时候保护前端DC/DC稳压源。图3.2 开关电源并联4、D/A转换的电路设计我们选择8位电压型D/A芯片TLC5615，它的外围电路很简单，采用一路D/A控制两路并联的恒流源，可以达到

11、的精度，此精度达到了题目要求的精度。电路图为： 图3.3 D/A转换模块5、辅助电源子系统辅助电源模块采用的是LM2576集成芯片实现+5V、+15V输出图3.4为+5V的输出：图3.4 +5V供电电源图3.5为可调输出： 图3.5 可调电源3.2程序的设计1、程序功能描述与设计思路进入恒流源功能模式后， 单片机首先判断负载是否开路，若有开路情况，声光报警并文字提示；若无开路则将所设置的电流值Iset 送DAC，控制输出电流，然后检测负载电压，进行过压检测和保护。将设置电流值Iset 送DAC 后，检测输出负载两端电压，过压将控制DC-DC中MOS关驱动信号PWM的信号，将MOS管断开，延迟0.5S，再次检测，恢复Iset 值继续正常供电。2、程序流程图图3.6 程序流程图四、测试方案4.1 测试条件与仪器测试仪器及设备如表4.1仪器名称用途数量计算机调试程序1数字万用表测试电压电流5毫伏表测试波纹电压4.2 基本部分1、额定输出功率下，供电系统的直流输出电压、效率Uin负载输出电压输出电流效率24V2欧8.034.275%2、输出8V，输出总电流为1A，I1：I2=1：测试项目测试条件测试记录备注输出电流I=1AUi=24V设置输出电流Io1（A）实际输出电流Io2（A）负载电阻为80.50.4950.500电支路电流比例 1