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开关稳压电源
开关稳压电源
开关稳压电源
摘要
本系统以以DC-DC变换器为核心,利用MSP430F149作为微控制器,电压可预置,步进电压为1V,输出电压范围为30V到36V,输出电流为0-2A。
可显示预置电压,实测电压。
主要由单片机最小系统,PWM信号控制芯片TL494,驱动芯片TPS2812,开关电源升压主回路,A/D以及D/A组成。
系统通过触摸彩屏预置电压值送给TL494形成闭环反馈回路,。
本系统具有调整速度快,精度高,电压调整率低,负载调整率低,效率高,无需另加辅助电源板,输出纹波小等优点。
关键词:
MSP430F149;TL494;开关电源;boost电路;
Abstact:
Directdigitalfrequencysynthesisisanimportantfrequencysynthesistechnique,theadvantagesofhighresolution,fastfrequencytransform,haswideapplicationprospectsinthefieldofradarandcommunications.Thisarticledescribesthebasicprinciplesof(DirectDigitalFrequencySynthesizer)andthecharacteristicsoftheMSP430F149microcontrollercontroltothechipasthecore,combinedwiththenecessaryperipheralcircuitsformanoutputwaveformstabilityandhighprecisionsignalgenerator.Thesignalgeneratorcangeneratestandardsinewave,squarewaveandtriangularwave(sawtooth)adjustabledutycycle,outputasinglepulseanddoublepulse,squarewavesignalmodulation,theoutputPSK,ASK.Menuintheformofsoftwaresystemoperation,LCDdisplay,easyoperationandmanyfeatures.
Keywords:
TL494;signalgenerator;MSP430F149microcontroller;boost;
1引言
MSP430F149单片机通过触摸屏控制电压以1V步进,经过单片机控制D/A提供一个参考电压,与输出电压的反馈分压进行比较,在TL494内部的电压误差放大器产生信号,控制脉宽变化,来达到调整输出电压的变化,反复调整后使输出达到设定得值为止。
参考电压输出后电压的反馈调节是由TL494自动调节的,调节速度快。
由于本设计对效率的要求比较高,所以在设计时尽量选用低功耗的单片机,而且单片机的外围电路要尽量少,本系统外围电路只有彩屏显示,这样可以尽可能的提高效率。
2方案设计与论证
2.1总体方案描述
系统组成框图如图2-1:
图2-1系统框图
整个系统由MSP430F149微控制器,液晶彩屏显示,触摸屏控制、PWM信号产生及控制、升压电路等模块构成。
整个系统供电后,由PWM控制芯片TL494产生PWM波,经过TPS2812驱动电路后来控制开关管的导通与截止,实现boost升压。
DC-DC变换器采用经典的脉宽调制芯片TL494,通过输出端的反馈电阻调节占空比使得输出电压UO在30V~36V范围内可调;微控制器与彩屏显示构成了控制显示模块,能对输出电压进行键盘设定和步进调整,并显示输出电压、电流的测量和数字显示功能,形成了良好的人机界面。
总体框图如图2.1所示。
2.2微处理器模块的比较与论证
方案一:
用单片机MSP430F149作为系统的主控核心。
此单片机具有体积小,使用灵活的,易于人机对话和良好的数据处理,有较强的指令寻址和运算功能等优点。
方案二:
用FPGA等可编程器件作为控制模块。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,密度高,速度快,稳定性好等许多有点。
FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置,因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。
并且FPGA作为数字逻辑器件,竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题,因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。
在此系统中,采用单片机作为控制比采用FPGA实现更简便。
基于综合性价比,确定选择方案一。
2.3DC-DC主回路拓扑的方案选择与论证
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式虽然安全,但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低,而本题没有要求输入输出隔离,所以选择非隔离方式,具体有以下几种方案:
方案一:
串联开关电路形式。
开关管V1受占空比为D的PWM波的控制,交替导通或截止,再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。
该电路属于降压型电路,达不到题目要求的30~36V的输出电压。
方案二:
并联开关电路形式。
并联开关电路原理与串联开关电路类似,但此电路为升压型电路,开关导通时电感储能,截止时电感能量输出。
只要电感绕制合理,能达到题目要求的30~36V,且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。
方案三:
串并联开关电路形式。
实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。
用电感的储能特性来实现升降压,电路控制复杂。
由于本题只需升压,故选择方案二。
2.4控制方案的比较与论证
方案一:
采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D后的反馈电压程控改变占空比,使输出电压稳定在设定值。
负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机,当该电压达到一定值时关闭开关管,形成过流保护。
该方案主要由软件实现,控制算法比较复杂,速度慢,输出电压稳定性不好,若想实现自动恢复,实现起来比较复杂。
方案二:
采用恒频脉宽调制控制器TL494。
TL494可推挽或单端输出,工作频率为1~300KHz,输出电压可达40V。
内有5V的电压基准,死区时间可以调整,输出级的拉灌电流可达200mA,驱动能力较强。
芯片内部有两个误差比较器,一个电压比较器和一个电流比较器。
电流比较器可用于过流保护,电压比较器可设置为闭环控制,调整速度快。
鉴于上面分析,选用方案二。
2.5电流工作模式的方案选择
方案一:
电流连续模式。
电流连续工作状态,在下一周期到来时,电感中的电流还未减小到零,电容的电流能够得倒及时的补充,输出电流的峰值较小,输出纹波电压小。
方案二:
电流断续模式。
断续模式下,电感能量释放完时,下一周期尚未到来,电容能量得不到及时补充,二极管的峰值电流非常大,对开关管和二极管的要求就非常高,二极管的损耗非常大,而且由于电流是断续的,输出电流交流成分比较大,会增加输出电容上的损耗。
由于对于相同功率的输出,断续工作模式的峰值电流要高很多,而且输出直流电压的纹波也会增加,损耗大。
鉴于上面分析,本设计采用方案一。
2.6显示模块比较与论证
方案一:
采用普通LED显示。
其优点是元器件价格低廉,而且外围电路简单。
但是扫描要占用大量的I/O口资源,还增大了单片机的运算开销,显示的信息也不够丰富。
方案二:
采用LCD液晶彩屏显示。
其优点是显示信息非常丰富,可以很形象的显示信号发生器的各个参数。
同时颜色多样,不会很单调。
占用的I/O资源比较少,不需要循环扫描,节省了大量的程序开销。
鉴于本系统的扩展要求,我们采用LCD液晶作为我们的显示模块。
同时写入彩屏程序,使其更生动直观。
3系统硬件、软件的实现
3.1硬件实现
3.1.1微处理器电路
本作品用的MSP430F149最小系统电路如图3-1。
图3-1微控制器电路
3.1.2供电电路
本系统供电电路主要由三部分组成。
分别是主电路供电,驱动电路供电,单片机供电电路组成。
主电路供电采用直流电源,其具有输出电压、电流可调的优点。
驱动电路和单片机供电电路均选用集成的开关电源芯片LM2596。
电路图如图3-2、3-3所示。
图3-212V直流稳压电路
图3-35V直流稳压电路
3.1.3DC-DC变换电路
DC-DC变换电路为本系统的核心电路,由TL494构成的BOOST升压模块、D/A输出模块、A/D采集模块、TPS2812驱动模块等模块构成。
电路图见图3-4。
图3-4DC-DC升压电路
3.1.4D/A输出电路
DA的输出精度对本系统的影响非常大,鉴于此,本系统选用抗干扰能力强的16位DA芯片DAC8560。
其电路图如图3-5所示。
图3-5DAC8560模块
3.1.5A/D采样电路
为了实现更高的精确度,本系统采用TI公司的16位AD芯片ADS1115,该芯片具有采集精度高,转换速度快等优点。
其电路图如图3-6所示。
图3-6ADS1115模块
3.2软件实现
系统以单片机为控制器,采用C语言对单片机进行编程。
程序主要起导向和显示的作用,它控制整个系统稳定协调的运作。
系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现,主要负责输出电压的幅值和电路中各种参数的显示。
而人机交互采用触摸彩屏输入,通过触摸彩屏可设置输出电压幅值等参数,进而对系统中参数进行显示。
软件流程图如图3-7所示:
图3-7软件流程图
4系统测试
4.1主要测试用的仪器
①线性电源;
②UT39A数字万用表;
③2A100欧姆大功率负载。
4.2电压调整率和负载调整率结果测试
4.2.1负载调整率测试结果
直流稳压电流负载调整率的测试原理:
当电流从最小值,即0mA(电源不接负载时)变化到电流最大值1A时输出电压的变化率。
负载调整率的测试方法:
用键盘设置输出电流为0mA,即不接负载时,记录此时的输出电压U1;
用键盘设置输出电流为2A,记录此时对应的输出电压UO;
负载调整率为
。
本系统的负载调整率测试结果如表4-1所示。
输入电压(V)
输出电压(V)
输出电流(A)
18
36.1
0.37
18
36.0
0.50
18
36.0
1.00
18
35.9
1.10
表4-1负载调整率
题目中负载调整率为:
=0.56%
4.2.2电压调整率测试结果
直流稳压电流电压调整率的测试原理:
当电流在额定值,即2A(电源接恒定负载时),输入电压从15V变为21V时输出电压的变化率。
测试结果如表4-2所示。
输入电压(V)
输出电压(V)
输出电流(A)
15.0
35.9
1
16.1
36.0
1
17.1
35.9
1
18.0
36.0
1
19.0
36.0
1
20.0
36.0
1
21.0
36.0
1
表4-2电压调整率
电压调整率为:
=0.28%
参考文献
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