工程实践与科技创新3A设计报告.docx
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工程实践与科技创新3A设计报告
摘要:
本报告是上海交通大学2005级电子信息与工程学院科技创新实验五的理论研究和实验报告部分,就本次‘DC-DC开关电源系统’的理论基础,设计流程以及测试结果展开讨论和研究。
本报告包含了设计者在实验中的所学,所想,所得,供各位读者和同行参考,由于时间参促,报告中难免存在不足之处,望各位同行不吝指教。
关键词:
DC-DC电源控制系统,脉冲宽度调制,有源低通滤波器,单片机
ABSTRACT
ThisreportisonepartofthecourseofScienceInnovationwhichisarrangedbythe2005Grade,ElectronicEngineeringDept,ShangHaiJiaoTongUniversity,itdiscussestheprinciples,software&hardwaredesignandthetestresultofthe“DC—DCSwitchPower&ControlSystem”.
Thisreportincludeswhatthedesignershavelearnedintheprocedureofthiscourse.Wehopeitcanserveyouasausefulreference.Theremustbesomedeficienciesinthisreport,anditisourgreatpleasureifyoucanpointoutforus.Thankyouforreading.
KEYWORDS
DC—DCSwitchPower&ControlSystem
PulseWidthModulationControl
OperationalAmplifierLow-PassFilter
SingleChipMachine
1.概述
1.1编写说明
此文档介绍了科技创新实验五中的单片机设定电压DC-DC电压转换器的设计原理,硬件结构,软件结构以及使用说明。
本文档编写目的是介绍本小组所设计的电压转换系统的原理以及设计过程以及系统的使用方法。
本文档主要面向电子类专业的学生以及电子设计爱好者,也可供普通读者参考和借鉴。
1.2名词定义
DC-DC电源――输入直流电压,转换为稳定的输出直流电压,分为降压型与升压型。
脉冲宽度调制――一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,输出方波的占空比被调制用来对模拟电路进行调制的一种非常有效的技术,广泛应用于测量,通信,功率控制与变换等许多领域。
占空比――脉冲宽度调制电路中,输出方波信号的高电压时间和总的时间比。
开环电压控制――单片机输出脉冲调制信号,来控制设定DC-DC电源的输出。
闭环电压控制――单片机控制输出脉冲调制波部分和反馈部分经过单片机内部ADC转换形成闭合回路,从而来控制输出电压,由于具有自动调节功能,因此相对于开环控制有更高的准确性。
1.3硬件开发环境
表1.1硬件开发工具及运行环境
开发工具
运行环境
直流稳压电源
一台
数字万用表
一台
示波器
一台
电源引线
三根
示波器探头
一根
电烙铁
一把
吸焊器
一把
镊子、剪刀、斜口钳、螺丝刀
若干
单片微型计算机集成芯片
ATMEL公司的ATmega16一块
1.4软件开发环境
表1.2软件开发工具及运行环境
开发工具
运行环境
AVRstudio4
WindowsXP
WinAVR
WindowsXP
1.5缩略语
DC-DC:
directcurrenttodirectcurrent(直流变换)
PWM——Pulse-WidthModulation(脉宽调制)
LPF――LowPassFilter(低通滤波器)
ADC――analogydigitalconvertor模拟数字转换器件
2.系统总述
随着电子技术的发展,各种各样的电子器件不断的涌现,而相应的对供电的要求也各不相同。
现实生活中我们所遇到的供电都是国家标准的配置(中国是220伏特),为了满足各种电子器件的需要,我们需要设计一些能够实现电压转换功能的器件,即电源。
电源的一般功能就是交直流整流,电平转换。
本实验的设计目的是实现一个通过单片机进行电压转换控制,输入为20~30V,输出为5~10V,具有0.1±0.05V的精度。
2.1系统组成
下图为降压型开关电源的结构图
图2.1降压型开关电源系统结构框图
系统可以分为三个部分,如下面三小节所示。
2.1.1DC-DC开关电源子系统
以TL494芯片为主体构成PWM调制器,再通过斩波、限幅、取样比较等电路,输出直流,输出电压再经过分压网络得到对应得电压,从而实现DC—DC的转换。
图2.2DC-DC开关电源部分结构图
2.1.2输出电压控制子系统
单片机输出占空比可调的脉冲信号,经过整形电路得到恒定的固定电平的输出,再通过有源滤波得到Vctl控制电压,利用光耦合实现信号变换和隔离,最终实现电压控制功能。
图2.3输出电压控制系统框图
2.1.3输出电压测量子系统
输出的信号通过信号的变换和隔离反馈至单片机系统。
单片机闭环参与电压控制和数模转换ADC。
当外界条件改变产生干扰时,系统自动调整恢复至稳定的电压输出。
图2.4输出电压测量子系统框图
2.1.4单片机PWM输出子系统
在本次实验中,单片机子系统分别参与开环和闭环的控制,在开环的控制中只是按照编码(预先进行测量所得到的占空比)的要求提供PWM信号,通过程序控制输出PWM波输出,进入电压控制系统,在进入DC-DC电源控制系统,从而达到控制输出电压的目的;在闭环的部分,单片机还要参与反馈的判断,通过内部ADC转换模块,实时捕捉信号并进行ADC转换,从而不断的调整输出PWM波信号,直到反馈回来的信号与标准值比较没有误差或者在可以接收的范围内,达到闭环的控制目的。
除此之外,单片机小系统还提供了用户交互界面,由四个按键作为用户输入,同时用四个LED灯和四个七段数码管共同显示单片机的工作模式及状态。
图2.5单片机PWM小系统示意图
2.2系统的主要功能
2.2.1DC-DC开关电源
TL494在工作时内部会产生一个固有的电压Vref,输出的电压反馈与固有电压产生差值经过误差放大,改变输出的反馈电压和TL494内固有的参考电压就可改变PMW的占空比,使得输入电压在20V到30V之间变化时,输出电压为一稳定值,调节滑动变阻器,可以使得输出电压在5V~10V之间变化。
2.2.2输出电压控制子系统
单片机产生的PWM信号做傅里叶级数展开之后是一个个次数、频率、幅度不同的正弦波的叠加。
通过低通滤波器转换为输出直流,从而达到控制开关电源输出电压的目的。
2.2.3输出电压测量子系统
DC-DC的输出经过信号处理变换后反馈回单片机,单片机对当前的电压值与预设值相比较控制PWM输出,从而实现闭环控制。
2.2.4单片机PWM输出子系统
单片机PWM输出子系统主要的功能是通过程序控制输出PWM波,从而达到控制输出电压的目的。
同时在电压检测环节中,单片机通过比较实测ADC编码值与预设ADC编码值从而改变输出的PWM波,直至输出稳定。
3.DC-DC开关稳压电源模块的设计
3.1DC-DC系统概述
3.1.1主要功能和设计指标
本系统可以将20-30V的直流电压通过DC-DC脉宽调制,在DC-DC板输出负载端输出稳定的5-10V电压,负载两端误差小于0.1V,额定电流为1.1A。
DC-DC技术指标:
输入直流电压:
20V~30V
输出直流电压:
5V~10V
额定输出电流:
1A
限流值:
1.1A
电压调整率:
0.5%
电流调整率:
1%
输出电压纹波:
≤100mVp-p
效率:
≥65%
截止电流值;1.1A
3.1.2系统设计概述
本系统以TL494芯片为主体,输出的反馈电压V1和TL494内固有的参考电压V2作误差放大,再通过比较器实现脉冲调制,因此改变V1和V2就可改变PMW的占空比,使得输入电压在20V到30V之间变化时,输出电压为一稳定值,再利用滑动变阻器构成分压网络,从而改变滑动变阻器可以使输出电压在5~10V之间改变。
图3.1DC-DC开关电源模块图
3.2TL494的基本原理
3.2.1芯片总述
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路,主要应用在各种开关电源中。
整个开关电源系统中,L494通过PWM信号起到关键的稳压作用。
图3.2稳压原理框图
3.2.2TL494简图及管脚配置
图3.3TL494引脚图
1、2号脚是误差放大器I的同相和反相输入端;
3号脚是相位校正和增益控制;
4号脚为间歇期调理,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号脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容来确定振荡频率;
7号脚为接地端;
8、9号脚和11、10号脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极;
12号脚为电源供电端;
13号脚为输出控制端,该脚接地时为并联单端输出方式,接14号脚时为推挽输出方式;
14号脚为5V基准电压输出端,最大输出电流10mA;
15、16号脚是误差放大器II的反相和同相输入端。
具体内部电路如下图所示
图3.4TL494内部电路原理图
3.2.3基本原理
TL494从根本上来说是一块PWM控制电路的芯片。
输入的信号经过一定程度的放大后与内部晶振所产生的锯齿波信号相比较,得到具有一定占空比的方波。
图3.5TL494占空比调节原理
由图可见,控制信号高电平时,比较出的方波处于高电平,反之方波处于低电平。
这个方波是芯片内部产生的数字信号,对其进行处理转换为模拟信号的输出,从而完成系统设计的要求。
3.2.4PWM生成模块
图3.6PWM生成内部原理图
由图所示,两个差分管应用时Vin+作为输入电压,Vin-由参考电压分压提供,输入电压总是在变化,当输入大于分压时,差分管的输出电压会增加直至限幅,与锯齿波比较后会得到占空比逐渐增大的方波信号。
当输入小于分亚时,由于差分管在输出端有一个二极管整流,所以输出电压会降到零,从而占空比呈逐渐减小的趋势。
根据以上的规律,响应电压的上下波动改变其PWM波的占空比,通过回路反馈反相调节输出电压,使其达到一个稳定的输出。
3.3系统整体设计方案
图3.7DC-DC整体设计电路图
上面一个电路图由科创PPT提供,主要为了阐述原理和外围电路的设计思路,但具体电路元件和拓扑结构上不易理解,所以我们寻求学长找到了下面更易分析的电路元件图。
图3.8DC-DC开关电源形式化电路图
整体电路如上,以下对几个部分进行分析。
3.3.1晶振的频率设计
图3.9晶振频率选取电路模块
开关电源的工作频率(PWM波的频率,即三极管开、关的频率)是由TL494芯片5号管脚上的电容C3和6号管脚上的电阻R7决定的,见图3.9,他们的关系为:
由讲座上袁老师的授课以及实验中可以知道:
增大工作频率可减小纹波幅度,但同时也会降低效率,而且频率一般不要超过150KHz,所以我们选取C3=1000pF,R7=6.8kΩ,确定工作频率为:
3.3.2开关三极管电路设计
图3.10开关三极管电路元件图
极管的发射极与基极之间是R2,基极与集电极之间是R1。
R1起到将电压转化为电流的作用,R2起到馈电和放电的作用,适当增加与三极管基极相连的电阻R1、R2的阻值,可降低开关管饱和导通深度,降低开关状态切换速率,可减小在开关瞬间电感漏感产生的涡流引起的开关瞬间噪声,即减小纹波的毛刺,但是R1、R2的增大会导致系统效率的下降,这是一个矛盾。
因此应该综合考虑毛刺以及效率两方面因素来确定R1、R2的取值。
我们在开始设计时,选取R1=510Ω,R2-180Ω,造成系统效率不达标,于是通过减小R1到300Ω,最终获得了较好的效果。
3.3.3低通滤波部分设计
图3.11低通滤波部分设计电路
低通滤波部分将PWM波转化为直流电流输出。
其中二极管的作用是去除负值电压,达到减少噪声和纹波的目的。
电感的取值要综合考虑滤波效果和磁饱和现象,推荐值为1mH,实验中电感的选取可谓是“成也电感,败也电感”。
由于其绕线繁琐,铁芯部分的固定又不牢靠,我们有时候刚测好的合适的电感,就因为铁芯位置的一点偏移而使气隙变化,从来会急剧的影响电感值。
另一个难题就是,一旦电感值确定,基本无法修改,因为铜线焊好了就很难再拆除,只能重新买一个新的。
最后我们采取比较合理的办法是:
绕线时稍微绕的大些,这样如果检测不合适可以在铁芯上垫纸片,事实证明这样的效果还是很好的,但由于技术上得问题,我们的纹波最后还是未能达标,具体分析将在附录B中说明。
实验中采用的值:
L=0.8mH(实测值)
C4=470uF
C5=100uF
电路图中的C1也是起到滤波作用,选取C1=100uF
3.3.4差分放大器
图3.12差分放大器电路元件图
运算放大器采用的是负反馈连接方式,所以最后可以达到1号脚和2号脚的电压近视相等,所以以这个约等式可以得到R11、R12、R13以及R14组成的串联分压网络与R5、R8的分压网络的关系,经过计算得到如下等式:
在本次实验中电阻R11和R13给出了推荐值,大小均为5.1kΩ,我们也这样选择,没有变化,另外R12为0-22kΩ可调,R14为0-100Ω可调,按照这个值,我们实验中选取R5=2KΩ,R8=3KΩ,而输入2号脚电压值为2V,这样可以得到1号脚近视为2V,此时通过调节R12使得输出在5~10V,(实际电路中考虑到光耦合会使输出范围减小,设计时适当的增加了范围,大概为3.9~11.9V)。
另外运放反馈回路参数取值为C2=0.1μF,R3=5.1KΩ,R4=1MΩ。
经过实验验证,这种取值符合要求,最后的得到的结果也比较理想。
3.3.5限流电路
图3.13限流电路的原理及元件图
系统设计要求输出电流上限为1.1A,15,16号管脚用作此用途。
可以认为负载上所有电流都流过R10,设计中选取R10=0.1Ω,所以当负载电流最大时,16号脚上的电压值为0.11V,若要限幅,15号脚上分得的电压应也为0.11V。
设限流值为I,则电阻网络应满足:
其中I=1.1A,R10=0.1Ω,计算可得R6,R9的电阻值。
最后确定为R6=5.1kΩ,R9=150Ω。
3.4元件参数列表
表3.1DC-DC稳压电源子系统元件参数表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
C1
100μF
R3
47kΩ
R10
0.1Ω
C2
0.1μF
R4
1MΩ
R11
5.1kΩ
C3
1000pF
R5
3kΩ
R12
0~22kΩ
C4
470μF
R6
5.1kΩ
R13
5.1kΩ
C5
100μF
R7
6.8kΩ
R14
0~100Ω
R1
300Ω
R8
2kΩ
RL
10Ω
R2
180Ω
R9
150Ω
L
0.8mH(自测)
3.5实际焊接电路图
图3.14DC-DC开关稳压电源模块实际焊接图
至此,DC-DC电压部分基本设计介绍完毕。
(关于针对DC-DC两大指标:
纹波和效率的分析,我们放在“附录B测试和分析”中一并加以阐述)
4.电压控制模块的硬件设计
4.1系统概述
第三节中我们设计出了,电压可以从5~10V变化的开关电源,但是由于电源电压的改变是通过改变电位器的大小来实现的,因此在实际应用中特别是在远程控制中不易实现。
电压控制系统就是来解决这个问题的,我们知道,如果要改变输出电压,只需要改变1号脚上的分压比。
图4.1电压控制电路主电路图
为了达到电压可控,我们是在R12两端加上一个可控的电压器件,实验中我们采用的是光耦合器件4N25来实现。
此系统的主要功能是实现单片机对电压输出的开环控制,单片机输出占空比可调制的pwm波,通过此系统选出其直流分量,通过光耦合器件将电压传递至分压网络的R12两端,从而通过改变占空比的大小来改变R12两端的电压值继而改变DC-DC开关电源的输出。
因此,我们只要测出每一个电压所对应的占空比,在单片机输出时,晶体管上显示电压值,单片机输出相应占空比大小的PWM波即可。
具体的软件流程将在后面的单片机软件子系统中详细介绍。
4.2设计原理
整体思路是单片机产生PWM波,先经过整流稳压电路,再经过低通滤波器选出直流分量,再通过光耦合器件耦合到DC-DC开关电源。
单片机产生PWM波的部分在软件设计流程中描述。
图4.2电压控制子系统设计框图
具体电路图的实现如下:
图4.3电压控制子系统实际电路图
4.3元件参数列表
表4.1电压控制子系统元件参数列表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
R1
2.2kΩ
R6
30kΩ
C3
30pF
R2
8kΩ
R7
30kΩ
R10
3.9kΩ
R3
100Ω
R9
100kΩ
R11、R13
5.1kΩ
R4
15kΩ
C1
1μF
R14
0-100Ω
R5
25kΩ
C2
1μF
R12
0-22kΩ
4.4模块实现
4.4.1整流稳压电路
整流稳压电路的作用是将单片机输出的不稳定的PWM波变为稳定的高电平固定为4V的PWM波,并将其反相处理。
整体的框架如下:
图4.4整形电路框图
其中,4011为一个四输入与非门,通过单片机的5V的PWM与TL431产生的恒定的4V比较,输出恒定的4V反向PWM。
4.4.2基准电源电路
基准电源电路的作用是提供稳定的电压为PWM波提供标准的电平。
电路如下图所示
图4.5基准电源电路电路图
电路的核心器件是TL431,器件图如下:
图4.6TL431器件及引脚图
TL421的工作特性:
最大工作电压37V
工作电流0.05~10mA
工作温度-650C~1500C
查阅芯片datasheet可知,TL431在此电路属于A,B序列类型,此时参考电压,参考
Vref=2.495VIref=1.8A输出要求是4V
下面计算R1和R2取值:
因为
而要求输出4V,所以可得:
实际中选取R4=15kΩR5=25kΩ
4.4.3低通滤波电路
低通滤波电路的作用是将选出PWM波中的直流分量。
图4.7二阶有源滤波电路图
电路图如图所示,电路是一个二阶低通滤波器,二阶低通滤波器的网络函数为:
H(s)=
根据设计单片机输出的PWM信号的频率是1KHz,但是我们设计的滤波器并不是理想的,都有一定的过渡带宽,所以设计的滤波器的截止频率应该尽量的小,我们最后确定滤波器的截止频率大概在20Hz左右。
根据模电有关的理论知识,再低通滤波器的设计中我们一般是先取定R7和R8的值来计算电容,本实验中由于指定了两个电解电容为1uF,故选取电阻R7=R8=30kΩ。
截止频率
值为33.3rad/s所以截至频率为5.3Hz。
此电路的核心器件是LM741,
图4.8LM741datasheet引脚图
另外,为什么要用有源滤波?
(1)输出阻抗小,可以带比较大的后级负载,并把负载看作高阻。
(2)还可以有信号放大的功能。
强调两个问题:
(1)C1和C2为电解电容,有正负之分,焊接中务必保证正接,否则会引起爆炸。
(2)在LM741的6号脚与2号脚上并联电阻和电容,可以防止自激震荡,电阻和电容取大些,我们组选取100KΩ和30pF并联后接在上面。
4.4.4信号的变换与隔离部分
信号的变换与隔离部分主要采用的是光耦合元件4N25,如图所示:
图4.94N25实物图及引脚图
4N25是通过二极管与三极管之间通过光电耦合,实际中应用的电路如下:
图4.10光耦合实现电路图
此电路设计的关键是Rctl(即R10)正确的选取,取值过大,输出的电流范围很小,这样在DC-DC开关电源控制就无法达到5~10V的范围,取值太小时,电流过大,操控性和发热都过大,会产生波动。
我们组最终选取的值为3.9K。
4.5实际焊接电路图
图4.11电压控制模块实际焊接图
5.电压测量模块的硬件设计
5.1系统总述
前面两个子系统中我们已经实现了电压开环控制的功能。
但是由于实际应用电压不可能保持绝对的稳定,会有一定的扰动,根据自动控制相关理论可知,开环控制系统抗干扰能力很差,因此我们要对输出的电压值进行采集,回馈到单片机输出PWM波系统,系统进行脉宽调制直到输出的电压满足要求。
电压检测子系统的框架如下:
图5.1电压检测系统框图
其中信号的变换与隔离以及产生固定参考电压的基准电压电源电路在前面都已经讨论过,本节主要讨论比较电路和单片机ADC模块。
5.2系统原理
图5.2电压检测系统电路实现图
闭环设计的必要性:
闭环与开环相比较可知,开环中单片机对电源模块进行“前向控制”,不能检测实际输出电压,系统构造上不构成“闭合环路”。
加入电压测量系统后,单片机对电源模块进行“反馈控制”,构成“闭合环路”。
由自动控制原理可知,开环控制系统的控制误差大,易受干扰,在实验中表现为整体的漂移现象,所以设计中加入一个反馈系统构成闭环回路可以使系统的抗干扰能力大大提高,稳定性增强。
系统通过采集输出电压输入给单片机并进行AD转换,再通过与标准AD转换值比较,单片机不断调整输出PWM波的占空比,使得实际输出电压逐步接近所需标准电压,以实现单片机对输出电压的闭环控制。
基本构想:
在讲座中老师提及了两种实现闭环检测的方案。
方案一:
简单做法——单端输入。
图5.3ADC单端输入框图
该法以单片机内部基准电压为参考电压,编码空间使用不充足。
方案二:
较复杂的做法——ACD差分输入。
图5.4ADC差分输入框图
该法编码空间利用率高,但电路设计较复杂。
我们采用第一种实现。
但在设计上稍微做改善,在外围电路上设计减法器,即将和基准值比较之后的电压输入ADC模块,而不是直接将分压后的输入电压直接接入ADC,通过控制外围电路的基准电压,从来实现编码的高利用率。
5.3元件参数列表
表5.1电压检测子系统元件参数列表
元件
元件参数
元件
元件参数
R1
100Ω
R5
10kΩ
R2
3kΩ
R6
10kΩ
R3
0~22kΩ
R7
0~22kΩ
R4
10kΩ
5.4模块实现
5.4.1基准电压电路
图5.5基准电压电路图
该电路设计方法与4.4.2相同。
但需要注意的是:
这里我们选取的基准电压为2.5V。
所以只需要在电源端传入R1即可。
由于TL431在此时,Vref=2.495V,所以输出的即为我们需要的基准电压。
5.4.2电压检测电路
图5.6电压检测电路图
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