单片机控制的DCDC变换器设计.docx
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单片机控制的DCDC变换器设计
单片机控制的DC-DC变换器设计
摘要
本设计通过查阅资料,了解DC-DC变换器的发展和应用现状,以及它在生产应用方面的不足.开关电源有其自身存在的缺点,第一个就是使用高频变压器作为传输能量的器件.开关电源通常工作在几百KHz以上,因而会产生电磁干扰,所以会影响自身或其它系统正常工作;此外,开关电源也存在着输出电压纹波较大的问题。
针对其在应用方面的不足设计出一款新型的基于单片机控制的DC-DC变换器。
在系统实现上,单片机由于具有电子计算机的基本组成部分和功能,同时又具备体积小,电路简单、故障率低、可靠性高和成本低廉等优点,而被应用于DC-DC开关变换器PID控制的系统实现。
该系统以单片机通过输出PWM信号控制开关三极管的通断,从而达到控制输出电压的目的,而ADC则对输出信号进行转换并反馈给单片机分析处理,形成闭环系统。
本设计分模块详细阐述了降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计,并分为DC—DC变换、单片机控制输出电压、单片机闭环参与控制DC—DC的输出,三个阶段说明此变换器的实现原理。
可实现如同20~30V输入5~10V输出,开/闭环控制误差范围控制在很小以内。
本设计采用软硬件相结合组成实际控制系统。
设计过程主要分为以下几个部分:
结构模型建立,算法确定,电路设计,程序编写,总结。
关键词单片机;开关电源;PWM;ADC;闭环控制
TheDesignofDC-DCConverterControlledBySingle-ChipMicrocomputer
Abstract
Bysearchingtheinformation,IunderstoodthedevelopmentofDC-DCconvertersandapplicationstatus,andthelackofapplicationintheproductionofswitchingpowersupply.Theswitchingpowerhasitsownshortage.Thefirstistousehigh-frequencytransformerastheenergytransmissiondevice.SwitchingpowerusuallysuppliesthemissionofafewhundredsKHzormore,andtheymaybeelectromagneticinterferenceandwilldisrupttheworkitselforothersystems;Inaddition,theswitchingpowersupplyoutputvoltagerippletherearelargerissues.Fordeficienciesinitsapplication,WehavetodesignanewdesignofDC-DCconvertercontrolledbysingle-chipmicrocomputer.Inthesystemimplementation,themicrocontrollerasacomputer'sbasiccomponentsandfunctions,butalsohavesmall,simplecircuit,lowfailurerate,highreliabilityandlowcostadvantages,whichwereusedinDC-DCswitchingconverterPIDcontrolsystemimplementation.ThesystemmicrocontrollerPWMsignalthroughtheoutputtransistoron-offcontrolswitch,soastoachievethepurposeofcontrollingtheoutputvoltage,whiletheADCistoconverttheoutputsignalanalysisandprocessing,andfeedbacktothemicrocontrollertoformaclosedloopsystem.Thedetaileddesignofthesub-moduleDC-DCstep-downswitchingpowersupplyandcontrol,feedbackcircuit,andisdividedintoDC-DCconversion,themicrocontrollercontrolstheoutputvoltage,singlechipDC-DCclosed-loopinvolvedincontrollingtheoutputofthethreestagestherealizationofthatprincipleofthisconverter.Itcanachieve20~30VInput5~10Voutput,open/closedloopcontrolerrorrangewaswithinlittle.
Thisdesignusesacombinationofhardwareandsoftwaretocompletetheactualcontrolsystem.Designprocessisdividedintothefollowingsections:
structuremodeling,circuitdesign,programming,hardwareandsoftwaredebugging.
KeywordsChipmicrocomputer;SwitchingPowerSupply;PWM;ADC;Closed-loopcontrol
第1章绪论
1.1设计背景
电源自从人类使用电以来都不可缺少的科技和产业。
从日常生活到尖端科技,从电气产品到电子产品,一切工具的使用都离不开电源技术的支持。
电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的.电源学科是一门综合功率的变换技术、现代电子技术、自动控制等的多学科边缘交叉技术。
电源技术的发展已经历了多次变革,从本质上讲电源技术的变革,就是功率转换技术的变革。
功率转换技术的变革从最开始的发电机组,变化到半导体功率器件投入产业界的使用,再一步一步到现在流行的使用从不间断工作模式到间断工作模式,即开关模式,即开关电源的整个发展过程。
功率变换器件工作在开关状态的电源,称为开关电源SPS(SwitchingPowerSupply)。
按照目前习惯,开关电源是指工作在高频开关状态下的电力电子器件所组成的直流电源。
随着中国经济的发展和电子行业的兴起,消费电子,特别是便携式电子设备的快速普及,电源管理半导体产品市场近期呈现快速增长趋势,甚至超过了数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)和半导体存储器等产品的增长速度。
大部分增长来源于电池供电的便携式电子设备,如手机、数字音乐播放器、数码相机、手持医疗仪器和测试仪器等。
而这些设备基本都是通过电源管理芯片对开关电源的控制来实现对其的供电的。
所以,正是由于上面的消费电子的兴起,产生了对开关电源的一个巨大的推动力。
当然开关电源也有其自身存在的缺点:
第一个就是使用高频变压器作为传输能量的器件.开关电源通常工作在几百KHz以上,因而会产生电磁干扰,所以会影响自身或其它系统正常工作;此外,开关电源也存在着输出电压纹波较大的问题。
但随着电子技术的发展(如-抗干扰技术、软开关技术、半导体技术等)上述缺点已经得到一定程度或是很好的解决,从而使开关电源在其应用中表现出了其强大的生命力。
开关电源同线性或相控电源相比,由于其具有诸多的优势,因而一问世就受到广泛关注,随着IC领域工艺的不断的提高,并成为电源技术发展的主流方向。
传统的小功率开关电源的主要缺点是:
集成度低、稳定性较差和输出电压纹波较大、外围电路复杂等问题。
然而随着微电子技术的迅猛发展、IC产业的发展以及生产工艺技术的成熟,单片开关电源集成电路具有高性价比、高集成度、最佳性能指标等优点,自从问世便显示出强大的生命力。
在系统实现上,单片机由于具有电子计算机的基本组成部分和功能,同时又具备体积小,电路简单、故障率低、可靠性高和成本低廉等优点,所以这次设计将单片机的控制应用于DC-DC开关变换器PID控制的系统实现。
1.2电源技术的发展与方向
1.2.1线性电源和开关电源
线性稳定电源,其特点是:
它的功率器件调整管工作在线性区,靠调整管之间的电压降来稳定输出,稳定性高,纹波小,可靠性高,易做成多路、输出连续可调的成品。
线性电源的主要问题在于:
输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作,但最主要的缺陷还是在体积和重量上。
通过输入调整器可以使输出精度增加,但这更增加功率消耗,并使效率更低。
线性电源利用率很难达到50%,这些白白消耗掉的功率还带来散热问题。
如果要使线性电源在一个通用输入电压范围(85V—265VAC)工作,会导致线性电源的效率更低。
开关电源就是开关型直流稳压电源,它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。
它和线性电源的根本区别在于它的变压器不工作在工频上,而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。
功率开关管工作在饱和区截止区,即工作在开关状态,开关电源因此而得名。
开关电源的优点是体积小,重量轻,稳定可靠。
多年来,由于技术上的障碍(高压,大功率),开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。
但是最近这几年,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件。
首先是功率MOSFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。
因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性,这包括热保护电路、限流电路、过/欠压保护电路等。
通过上面的分析我们可以看到,与线性电源相比,开关电源输出精度高,转换效率高,性能可靠。
除此之外,开关电源最大的优势还在于能够大幅缩小变压器的体积和重量,这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下,而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态,因此缩小了变压器的体积和重量,而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。
如果把工作频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍,用电设备的体积重量可以下降至工频设计的5-10%,其主要材料可节约90%或更高。
一般说来,开关电源的重量是线性电源的1/4,相应的体积大概是线性电源的1/3。
因此,开关电源代替线性电源是大势所趋。
1.2.2电源技术的发展方向
随着中国经济的发展和电子行业的兴起,消费电子,特别是便携式电子设备的快速普及,电源管理半导体产品市场近期呈现快速增长趋势,甚至超过了数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)和半导体存储器等产品的增长速度。
大部分增长来源于电池供电的便携式电子设备,如手机、数字音乐播放器、数码相机、手持医疗仪器和测试仪器等。
而这些设备基本都是通过电源管理芯片对开关电源的控制来实现对其的供电的。
所以,正是由于上面的消费电子的兴起,产生了对开关电源的一个巨大的推动力。
开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。
由于电源轻、小、薄的关键是高频化,因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件,特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化,并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。
(1)高效
电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计,是高效电源发展的一种集中体现。
各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范,也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。
尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外,需要满足欧美等国的电源标准,这将促进中国企业对高效电源的需求。
对于便携式电源管理,效率尤为重要。
(2)低功耗
随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视,功耗问题逐渐成为关注热点,电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一,降低电子产品功耗这一需求,将推动电源管理器件市场的稳步发展。
(3)智能化
运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法,目前大多数笔记本,普遍采用这种智能节电管理技术,它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制,对暂不工作的部件减少甚至停止供电。
(4)高集成
便携式应用的空间十分有限,这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内,或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。
在日益竞争的时代,提供高效整合体积的解决方案势在必行,且应以整体电源方案为用户降低成本,提升效能与可靠度。
(5)多功能
2005年,美国国家半导体公司(NS)宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供供电的电源管理产品。
它具有可编程的灵活性,可为采用ARM技术的应用及通信处提供稳定的供电。
它的电源管理单元FlexPMU是一个单芯片的解决方案,设有一个在一起的供电区。
1.2.3DC/DC变换器的应用范围及发展趋势
(1)DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。
用直流斩波器代替变阻器可节约20%~30%的电能。
直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
(2)DC/DC变换器是一种能高效地实现直流到直流功率变换的混合集成功率器件,主要采用了高频功率变换技术,即将直流电压通过功率开关器件变换成高频开关电压,且输入与输出之间完全隔离。
该产品主要应用于航空、航天、通信、雷达、以及其他所有采用分布式供电体系的领域。
其主要发展方向是:
采用多芯片组件技术和新型高导热基板(如AIN金刚石和金属等),进一步提高功率密度(3W/cm3以上)和输出功率(达200W以上),工作频率达1MHZ,效率为90%以上,实现多路智能化混合集成DC/DC变换器组件。
(3)直流-直流变换器(DC/DC)变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域,涉及到国民经济的各行各业。
按额定功率的大小来划分,DC/DC可分为750W以上、750W~1W和1W以下3大类。
进入20世纪90年代,DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高,其中6W~25WDC/DC变换器的增长率最高,这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。
由于微处理器的高速化,DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势,所以251W~750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的,这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备,DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。
1.3课题研究内容、目的及意义
本次设计研究通过单片机对PWM型DC—DC开关变换器进行控制的方式,以及选用实验电路,设计制作基于单片机的控制硬件,并对实验结果进行分析。
本项课题要设计出一种高效实用的DC-DC变换器开关控制系统,该系统应具有算法简单、易于实现、价格低廉、运行稳定、易于普及的优点。
按照上述要求,采用PWM控制技术,以PID为控制算法,以AT89C51单片机为核心控制器,配以外围电路,组成一个完整的控制系统。
能够具有一定的理论和实用价值。
本课题需要用到我在大学里所学到的相关学科的理论知识:
如控制系统方面需要用到单片机和自动控制原理,DC-DC开关则需要查阅和理解电力电子的相关知识,外围电路方面还需要用到模拟电路和数字电路的一些内容(诸如二极管,晶闸管)。
通过这次的毕业设计不但能加深对书本知识的理解,而且还能结合所学的知识运用到实际的应用当中这是很重要的。
不让书本脱离现实,将理论应用到实际,增加自己设计思路的独立性,为今后可能要做的设计打好基础。
第2章系统的总体设计及算法确定
2.1DC-DC变换器基本介绍
系统原理框图如图2-1所示,是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。
主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。
图2-1系统原理框图
2.1.1DC-DC变换器基本工作原理
图2-2直流斩波电路
DC-DC变换电路即直流斩波电路。
如图2-2是最基本的直流斩波电路,负载为纯电阻R。
当开关S闭合时,负载电压U。
=U1,并持续时间ton;这T=ton+toff为斩波电路的工作周期。
设斩波其的占空比K=ton/T,则由波形图上可得输出电压的平均值为U。
=ton/T*U1=Ku1,只要调节K,即可调节负载的平价电压。
2.1.2降压斩波和升压斩波
DC-DC变换电路按输入输出电压来分主要分为降压斩波电路和升压斩波电路两种。
降压式开关电源是直流供电,经过开关电路得到单方向方波,再经过滤波后又得到与输入电压不同的稳定的直流。
它们的输出电压总是比输入电压低。
当开关管饱和导通时,电能储存在电感中,同时也流向负载。
当开关元件被控制截止时,由于电感上的电流不能跳变,储存于电感中的能量继续供给负载,此时,续流二极管正向导通,构成闭合回路。
电容起到平滑输出的作用。
电路中开关管和负载电阻是串联的,所以也称它为串联开关电源.
升压式开关电源的输出电压总是高于输入电压Ui,并且极性是相同的。
当开关管饱和导通时,电感进行储能。
当开关管截止,电感中的电能通过续流二极管供给负载,同时对电容C充电。
当负载电压下降时,电容再次放电,这时可获得高于输入的稳定电压。
由于开关管和负载是并联的,也称它为并联开关电源。
图2-3降压斩波电路
图2-4升压斩波电路
2.2总体方案设计论证
开关电源具有较快的发展,从而产生了不同的设计思路。
开关电源的一般结构框图如图2-5所示,本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳方案的设计。
图2-5开关电源的一般框图
根据设计任务,调压采用PID控制器,因此设计了一个闭环控制系统。
该系统采用控制单片机端口模拟输出PWM调解电压的大小,使电压等于设定值,并且实时显示电压值。
通过对设计功能分解,设计方案可以分为:
系统结构方案,键盘显示方案论证,PWM软件实现方案。
2.2.1系统组成与功能简介
整个系统以单片机为主控芯片,包括与外界进行数据传输的通信模块,为检测数据而在系统中添加的数据采集模块,对测量结果进行分析而增加的人机界面模块等。
通过查阅资料,对运用于这次设计的主控芯片进行多次比对分析之后,选择采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为主控制器。
该芯片价格低廉,程序资源丰富,技术比较成熟。
根据设计的要求,AT89C51单片机可以完成任务。
在数据采集方面的数模转换器的选型上,通过查阅资料,在大量筛选后由于ADC0809精度非常高且被广泛采用利用于各种设计,有很强的借鉴性,所以选其做为这次设计所使用的模数转换器。
而在人机控制方面,这次设计显示部分是使用七段数码晶闸管,优点是美观大方,及显示内容的扩展;按钮方面使用2个按键,进行逐位设置。
因为键盘在单片机应用系统中,实现输入数据、传送命令的功能,是人工干预的主要手段,所以为了有利于人对系统的更好控制,采用键盘显示的方案。
2.2.2当前主要方法和技术分析
DC-DC变换器当前的控制方式主要为PWM、PFM控制和调频调宽混合控制三种。
PWM控制即定频调宽控制,这种控制方法是保持斩波周期T不变,只改变斩波器的导通时间ton。
其特点为:
斩波器的基本频率固定,所以滤除高次谐波的滤波器设计比较容易。
PFM控制即定宽调频控制,这种控制方式是保持导通时间ton不变,而改变斩波周期T。
其特点为:
斩波回路和控制电路变得简单,只有频率是变化的。
这三种控制方式各有各的优点与缺点:
DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压,通过变化开关次数进行控制,从而得到对于设定电压相同的输出电压。
PFM控制时,当输出电压下降达到在设定电压以上时即停止开关,在下降到设定电压前,DC/DC变换器不会进行任何操作。
但如果输出电压下降到设定电压以下,DC/DC变换器会再次开始开关,使输出电压达到设定电压,PWM控制也是与频率同步进行开关,但它会在达到设定值时,尽量减少流人线圈的电流,调整升压使其与设定电压保持一致。
与PWM相比,PFM的输出电流小,但因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作,所以消耗上午电流就会变得很小。
因此消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。
PWM在低负荷时虽然效率较逊色,但是因其纹波电压小,且开关频率固定,所以设计比较容易,消除噪声也较简单。
2.3PID算法控制
PID调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制,将基本PID算式离散化可得到位置型PID控制算法,对位置型PID进行变换可得到增量型PID控制算法。
对控制精度要求较高的系统一般采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中,则采用增量型算法。
PID是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法,它具有原理简单,易于实现,稳定性好,适用范围广,控制参数易于整定等优点。
PID控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数,便可获得满意的结果。
其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。
但是通过软件编程方法实现PID控制,可以灵活地调整参数。
尽管近年来出现了很多先进的控制算法,但PID控制仍然以其独有的特点在工业控制过程中具有相当大的比重,且控制效果相当令人满意。
连续PID控制器也称比例-积分-微分控制器,即过程控制是按误差的比例(P-Proportional)、积分(I-Integral)和微分(D-Derivative)对系统进行控制,其系统原理框图如图所示:
图2-5PID原理框图
设计原理:
采用单片机作为控制器的闭环系统,它是由89C51单片机系统通过A/D电路采集过程变量V,并根据有关的算法控制变量u,通过输出PWM控制脉冲到执行单元,使过程变量稳定在设定的值上。
PID调节规律可以通过数字PID增量控制算式:
其中:
为PID参数,y0为本次采样值,y1为上次采样值,y2为上两次采样值,r为设定值,△u为控制量的增量。
AD转换采样的电压转换为0到255之间的数字量,设定的值要转换为对应的数字量,本电源在3到12伏可调,那么需要把0到12伏转换为0到255的数字量,转换公式为
12*255/12=255,即255对应12V,经转换以后就可以相互比较。
图2-6闭环控制系统框图
2.4小结
本章主要阐述了设计总体思路,以及DC-DC变换器基本的工作原理。
第3章系统硬件电路设
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- 单片机 控制 DCDC 变换器 设计