EDA直流均流电源.docx

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EDA直流均流电源

EDA训练

题目______直流均流电源_________

班级______xx电子（x）班________

学号______200xxxxxxxx_xxx_______

姓名____xx_xxxxxxx_____________

时间______2010年12月_28_日___

Xxxxx大学

EDA训练任务书

姓名xxx____班级_xx电子（x）班指导老师xxx

设计课题：

设计任务与要求

查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件50个以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：

1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；

2、对电路的每个部分进行分别单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；

3、用Protel软件或其他EDA软件绘出整体电路图，进行实验分析和绘制PCB，并在图中的标题栏中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；

4、对整体电路原理进行完整功能描述；

5、列出标准的元件清单；

6、其他。

设计步骤

1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；

2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；

3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；

4、总体电路的绘制，实验分析和绘制PCB及总体电路原理相关说明；其他

5、列出标准的元件清单；列出设计中所涉及的所有参考文献资料。

设计说明书字数不得少于5000字

参考文献

[1]　李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：

北京航空航天大学出版社，1998

[2]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：

北京航空航天大学出版社，1994

[3]　阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：

高等教育出版社，1989

[4]　廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.

[5]　陈帮媛.射频通信电路[M].北京:

科学出版社,2002.

[6]欧阳芳锐,张玉平.工程数学手册[M].第4版.北京:

科学出版社,2001.

1、总体方案与原理说明…………………………………………………………….1

2、BUCK型电路实现方案论证与选择…………………………………………….2

3、均流方案论证与选择……………………………………………………………2

4、率变换电路的设计及参数计…………………………………………………..3-4

5、均流拓扑的设计及参数计算………………………………………………..4-5

6、过流保护电………………………………………………………………………5-6

7、附加功能设计……………………………………………………………………6-7

8、MSP430FG4618的用………………………………………………………..7-8

9、总体电路原理图…………………………………………………………………9

10、元件清单………………………………………………………………………10

11、参考文献………………………………………………………………………11

12、设计心得体会…………………………………………………………………12

1、总体方案与原理说明

本设计采用采用TI公司的DC/DC芯片TPS5430设计并制作了两路BUCK型均流电源，均流误差在1%以内，电源总效率可达93%，两路电源负载调整率均在0.1%以内，并且输出电压4.5V～5.5V可调，具有过流保护功能，过流保护点可调。

整个电源系统还外加控制器MSP430作为附加功能的控制核心，可实现遥控定时开关机，显示电源工作状态。

本题的相关要求完成的功能和技术指标归纳为：

输入电压为市电，须经功率变换部分将其转换为较为稳定的直流信号作为后端直流均流电源模块的输入

直流均流电源由两路构成，基本要求单路输出电压为5V，+10%范

负载调整率+0.5%Vo，单路功率5W

过流保护点1.2A~1.3A,故障解除后能自恢复

并联自动均流，均流电流相差+5%

电源总效率大于80%

要求输出纹波小于100mV

可外加其他功能

设计必用两种以上TI器

综合考虑，因题目要求较高的效率，且对纹波要求不高，所以采用高效率

的BUCK型开关电源作为均流电源的基本模块。

同时，为了提高电源应用的灵

活性，我们决定外加遥控定时开关机功能,具体的系统框图如图一所示：

图一、系统框图

2、BUCK型电路实现方案论证与选择

利用PWM控制芯片，采用TI公司的脉宽调制控制器TL494CN作为BUCK型拓扑的PWM控制芯片。

TL494的最高工作频率300KHz，内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，方便做过流保护；但由于BUCK型拓扑的MOS管驱动需外加上管驱动芯片IR2110，而IR2110会有0.2W左右的功耗，对于仅5W输出的电源来说，会消耗掉4个百分点的效率。

利用TPS5430，采用TI公司的BUCK型DC/DC芯片TPS5430，其最大输出电流3A，内部集成驱动电路和1.221V基准源，固定工作频率500KHz。

用TPS5430可使电路结构简单化，系统的可靠性高，且高的工作频率减小了对电容和电感的要求，使系统小型化。

综合考虑，为了使系统有较高的效率和可靠性，我们选择采用TPS5430来完成。

3、均流方案论证与选择

主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直

接连接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号。

图二为采用电压环内调整结构的主从均流法。

主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大

器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。

因为系统在统一的误差电压下调整，

模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流

总是相等。

采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少，易于拓

展为多路。

缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将瘫痪

。

图二、主从均流法

4、功率变换电路的设计及参数计

定经工频变压器整流滤波后，做两路对称的DC/DC电源给后级供电。

因题目要求输出电压为5V，又BUCK电路输入输出压差较小时可获得较高效率，所以将供电电压定在7V左右。

采用TI公司的开关电源芯片TPS5430，其开关频率为500KHz，内部基准电压1.221V，最大输出电流3A。

功率变换的单路电路图如下：

公式一：

Vo=（Ton/（Ton+Toff））*Vin

图三、功率变换原理图

上面的功率变换的功率变换电路做完后，为了增加作品亮点，我们又决定采

用AC/DC作为我们的功率变换部分，并且我们也做出来了，但是，在作品测试

的时，我们的误操作使大功率开关管烧掉了，只好用上面那个功率变换电路测试。

为了体现我们的思维，我还是将设计过程论证如下。

AC/DC变换的设计及理论计算如下：

图四、功率变换电路原理图

如图四所示RCC反激式AC/DC原理图，输入为220V市电，经EMI滤波、整

流桥整流后送入变压器初级。

图中用光耦和三极管Q1，开关管Q2构成电压反

馈，当输出电压有增大趋势时，光藕上流过的电流增大，使三极管Q1的基极电

流增大，Q1导通，开关管Q2截止，输出电压降低，开关管Q2再次导通，反之，

当输出电压降低时，过程相反。

因题目要求输出电压为5V，又BUCK电路输入

输出压差较小时可获得较高效率，所以将功率变换输出定在7V左右，此电路采

用TL431作为输出基准源。

高频变压器的设计要求为开关频率为20KHz，占空比D=0.5，输出电压7.7V，

输出电流要求能够达到3A，整流管正向电压降为0.5V。

具体设计过程为:

（1）.整流输入电压最小值：

Vin（DC）=Vin×1.2=265V考虑一定裕量，取Vin（DC）=250V

（2）.变压器的传输功率为：

Po=（Vo+VF）Io（MAX）=10×3=30W

考虑副边绕组铜耗，采样、过流保护信号等电阻损耗和原边开关损耗后，设效率

为η=70％则输入功率为Pin=Po/η=43W

（3）由PQ磁芯的最大传输功率（50KHz）关系可知，至少需要PQ20／20型的磁

芯。

由于题目中并没有体积要求，为了使最大传输效率达到最佳效果，而且考虑

到目前有的几种磁芯型号，选用了PQ32/30型磁芯。

其每伏输入电压对应的匝数

Nit=0.278，绕线窗口面积Aw=149.6mm2，窗口有效利用系数=0.23。

（4）原边线圈的匝数

1TP（MAX）NVPN==0.278×265=73.67（匝），取整PN=73匝。

（5）.根据趋肤深度和频率的关系可知穿透深度为

∆H=0.467mm

5、均流拓扑的设计及参数计算：

如图五，图中R7、R8、R9均为防噪电阻，D1、D2是续流二极管，L1、L2

为储能电感，R1和R2为电流取样电阻，阻值均为0.05欧的低温漂金属膜电阻，

电流信号通过电阻转换成小电压信号后经运放放大一定倍数，然后分别送到

OP37的正负输入端进行进一步误差放大。

OP37的输出端反馈到从电路的电压反

馈端，由于OP37低失调电压，所以理论上可以将两路的电流差控制在5mA以

内。

当并联时，将开关S1闭合，如果某个时刻从电路电流增加，运放的电压正

端（3端）与负端（2端）的电压差增大，运放的输出端（6端）电压升高，此信号可以起到调制从电路占空比，使其减小以达到减小从路输出电流，即均流的目的；反之，当从路电流减小时，运放输出电压减小，调制从路电流增加。

储能电感设计要求轻载时电源工作在电流连续方式；因为若轻载时工作在电流断续方式，则输出电压会升高，会影响电源的负载调整率。

具体设计步骤如下：

（1）设Imin为临界电流，Iv为电感的谷点电流，要使电流在整个周期都不

为零，则需Iv>0;所以Imin=（Vo×Toff）/2L即L=（Vo×Toff）/2Imin

（2）因Imin=0.1A,（Vo）max=5.5V,f=500KHz,Toff=（1-Vo/Vin）/f;算出

L>37uH，取L=100uH

输出电压的计算公式：

Vo=1.221*（1+R3/R5）

图五、均流源拓扑结构图

6、过流保护电路设计：

过流保护及自恢复实现原理如图六。

图中X、Y端口接采样电阻R1或R2

两端，INA128是高精密仪表放大器，电阻R11可调整过流保护点的电流值，继电器的3端接TPS5430的使能端ENA和蜂鸣器。

当电流达到保护点时，仪放输

出高电平，三极管导通，继电器打到3端，TPS5430使能端低电平停止工作，同

时蜂鸣器接通发出警报；当故障解除后，由于三极管的基极电流非常小，电容

C11的放电速度很慢。

C11的放电电流继续维持三极管导通一段时间。

当C11提

供电流，三极管截止继电器打到2端，TPS5430使能有效，电源恢复正常。

该过流保护电路的过流点可设定，过流点电流计算公式为：

Imax=74/（1+50/R11）A

图六.过流保电路原理

7、附加功能设计：

1、思想提出：

因实际应用中负载工作在一定的时间范围内，如学生公寓的供电系统定时供电或断电，所以我们加入了时钟控制功能以达到定时开启/关断该电源的目的。

又为便于操作该系统，所以加入了遥控设备。

2、功能电路的设计：

设置MSP430FG4618的P1.0为遥控信号的输入端。

P7.0为电源开启/关断的控制端，其与TPS5430的ENA相连，当P7.0输出高电平光偶三极管导通，LED指示灯发光，TPS5430的ENA引脚电平被拉低而停止工作，电源关断；P7.0输出低电平时，光偶三极管断开，LED熄灭，ENA恢复高电平，电源开启。

定时开关机功能电路的电路图见图七。

图七、定时开关机功能电路图

8、MSP430FG4618的使用

1、硬件设计接口概况：

MSP430FG4618有着丰富的内部资源和外部接口，设计中选用了其P1、P2口与液晶1602相连，P3、P5与时钟BQ4802相连，P4作为

按键输入口，P1.0作为遥控器信号接收端，P7.0为电源开关信号输出端；同时，

选用了定时器A为遥控信号解码。

BQ4802及1602的接口原理图如下：

图八、BQ4802的接口原理图

图九、1602液晶接口电路原理图

2、定时器A的应用：

当单片机P1.0接收到遥控器脉冲信号（总长为40-50ms）

时，由第一个下降沿触发中断，定时器A做长25ms的定时，以屏蔽遥控信号的

地址码。

然后，设置定时器A为计时模式，测信号数据部分中每两相邻下降沿

的宽度，其中宽脉冲为1，窄脉冲为0，测8个即可。

遥控信号的接收函数由P1.0

的中断触发执行，最后获得的8位数据即为遥控信号。

3、低功耗实现：

当电源开启、液晶显示静态初始界面时，单片机处于低功耗状

态；当单片机完成选定的功能（退出时间显示、定时开关机）后，自动转入低功

耗状态。

即单片机在除了执行选定功能过程外的所有时间里，都处于低功耗状态。

9、总体电路原理图

10、元件清单

类型

数量（个）

液晶显示器

1

电感

3

电阻

20

变压器

1

二极管

5

三极管

2

电位器

1

电源线

1

开关

1

按键

5

集成芯片

4

铝电解电容

3

瓷片电容

3

11、参考文献

[1]　李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：

北京航空航天大学出版社，1998

[2]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：

北京航空航天大学出版社，1994

[3]　阎石.数字电子技术基础（第三版）.北京：

高等教育出版社，1989

[4]　廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.

[5]　陈帮媛.射频通信电路[M].北京:

科学出版社,2002.

[6]欧阳芳锐,张玉平.工程数学手册[M].第4版.北京:

科学出版社,2001.

12、设计心得体会

经过将近二周的EDA课程设计，终于完成了我的直流均流电源的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，设计得很简单，功能单调，焊接电路粗糙，但从心里来说，还是非常高兴，回想以前遇到的困难，心里更美滋滋的，毕竟这次设计通过自己勤劳所得的结晶，高兴之余不得不深思呀！

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，利用TI公司的DC/DC芯片TPS5430以及运放OP37、OP277的反馈调制达到了很好的均流效果，还具有遥控定时开关机的功能，可随心所欲的设定电源的工作时间。

但由于能力及时间的限制，显示处理时在用除法去删分，感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。

从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。