E题 开关稳压电源_全国大学生竞赛山东赛区组委会.docx

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1、开关稳压电源山东大学周勇宁金龙赵立歧摘要本系统以C8051F020为核心，电压可预置，步进电压为IV,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，实测电流，实测效率。该系统主要由最小单片机系统,PWM信号控制芯片T1494,开关电源升压主回路，A/D以及D/A组成。系统通过键盘预置电压值送给T1494形成闭环反馈回路,采样康铜丝上的电压间接推算出电流并显示。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：C8051F020；T1494；开关电源；boost电路。ABSTRACTForthissyst

2、emtoC8051F020corevo1tagecanbepreset,steppingvo1tageofIVoutputvo1tagerangeof30Vto36V,outputcurrentis0_2A.Thatpresetvo1tagecanbemeasuredvo1tage,currentmeasurement,themeasuredefficiency.Thesystemmain1ybythesma11estSCMsystem,T1494chipPwMcontro1signa1,themainboostswitchingpowersupp1ycircuit,A/DandD/Acomp

3、onent.Throughthekeyboardpresetvo1tageT1494gaveac1osed-1oopfeedback1oop,samp1ingthevo1tagecopperwireKangindirect1ycurrentandprojectedthat.Thesystemhasadjustedspeed,highprecision,1owvo1tageadjustment,theadjustedrates1ow1oad,highefficiency,noauxi1iarypowersupp1yp1usap1ate,theadvantagesofsma11outputripp

4、1e.Keywords:C8051F020;T1494;SwitchingPowerSupp1y;BoostCircuit.一、方案论证与比较1.1DC-DC主回路拓扑的方案选择DJDC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1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3036V的输出电压。（见图1）图2图3方案二：并联开关电路形式。并联开

5、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3036V,且输出电压Uo呈现连续平滑的特性。（见图2）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。（见图3）由于本题只需升压，故选择方案二。1.2控制方法的方案选择方案一：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

6、，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T1494,这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1300KHz,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。1.3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

7、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，本设计采用方案二。1.4提高效率的方案选择影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗，单片机及外围电路供电电路的效率和DC-DC变换器的效率。详细方案选择见附件1。二、详细软硬件分析2.1整体设计:单片机通过键盘控制电压的步进，经过单片机控

8、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T1494内部的电压误差放大器产生一个高或低电平，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T1494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键盘，显示，和4个运放（A/D和D/A集成在C8051F020内部），这样可以尽可能的提高效率。框图见图4。2.2理论分析与参数计算2.2.1主回路器件的选择及参数设计：2.2.1.1磁芯和线径选择。当交变电流通过导体时，电流将集中在导体

9、表面流过,这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。线径的选择主要由本系统的开关频率确定。开关频率越大，线径越小，但是所允许经过的电流越小，并且开关损耗增大，效率降低。本系统采用的频率为44K,查表得知在此频率下的穿透深度为0.3304mm,直径应为此深度的2倍，即为0.6608mm。选择的AWG导线规格为21#,直径为0.0785cm（含漆皮）.磁芯选择铁银铝磁芯，该磁芯具有高的饱和磁通密度，在较大的磁化场下不易饱和，具有较高的导磁率、磁性能稳定性好（温升低，耐大电流、噪声小），适用在开关电源上。2.2.1.2其他器件

10、选择见附件2o2.2.2控制电路设计与参数设计：控制电路选用T1494来产生PwM波形，控制开关管的导通，Rt,Ct选择为102和24K,频率为，为44KHz软启动电路由14脚和4脚接电阻和电容来实现，通过充放电来实现。启动时间为=（=IOuF,R=1K）。13号脚接地，采用单管输出，进一步降芯片内部功耗。2.2.3效率的分析：输出功率计算公式：，输入功率计算公式：。由于题目要求DC/DC变换器（控制器）都只能由Uir1端口供电，不能另加辅助电源，所以单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低。为此，在设计本系统时单片机采用低功耗单片机C8051F020,该系统集成了8路12位A/D和两路12位D

11、/A.减少了外加A/D和D/A的功耗。提高效率主要是要降低变换器的损耗，变换器的损耗主要有MOSFET导通损耗，MOSFET开关损耗MOSFET驱动损耗，二极管的损耗、输出电容的损耗，和控制部分的损耗，这些损耗可以通过降低开关频率等方法来降低。各级损耗的计算方法如下：1.导通损耗2.开关损耗：；3.门级驱动损耗：；4.二极管的损耗：；5.输出电容的损耗：2.2.4保护电路设计与参数设计：康铜电阻的大小选择：康铜丝主要起两个作用，过流保护和测试负载电流。康铜丝接在整流输入地和负载地之间，越小越好，这样会使两个地之间的电压很小。但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比

12、较高，经过实验，选择0.1欧姆的电阻效果比较好。由于电阻太小，难以测量，所以先测得1欧姆的电阻，然后截取其长度的十分之一。T1494片内有电流误差放大器。可用于过流保护。康铜电阻上的压降，与预先调好的值进行比较.若电流过大，输出高电平，阻止PWM信号产生，开关管处于关断状态，使输出电压降低，形成保护功能。一旦输出电压降低，导致输出电流降低，检测电压降低，电流误差放大器就会输出低电平，重新产生PWM波形，所以该电路具有自恢复功能。2.2.5数字设定及显示电路的设计：由于在输出端采样时测得的反馈电压为输出电压的二十四分之一，即分压为15V时输出为36V,分压为1.25V时输出为30V,设计中采用了

13、12位D/A转换精度为0.61mV（参考电压为2.43V）,直接输出给T1494提供参考电压。此外还设置了三个A/D芯片，分别采集输出电压，输出电流，和输入电流。为了降低功耗，设计中采用了8位数字显示的1CD,SMSO801B为共阴级，下降沿有效，可显示采样得到的各个采样量。2.3硬件核心电路如下：（模块电路见附件5）图5DC-DC主回路原理图2.4软件设计：本设计的软件设计比较简单，完全出于效率的要求，把外围电路设计的尽可能的少，所以单片机驱动外围芯片均采用I/O口直接控制，没有采用总线方式。整体软件设计流程图如图6。三、系统调试调试过程共分三部分：硬件调试，软件调试，软硬件联调。3.1硬件

14、调试：由于该系统的闭环控制主要由PWM芯片T1494自动控制，单片机主要起输出参考电压，显示等一些辅助作用，再者根据理论值进行元器件的选择由于精度和干扰的影响，往往得到的结果和理论分析值又有一定的偏差，所以硬件调试难度很大。3.2软件调试：本系统的软件程序完全由C51编写，C语言效率高，但同时也存在一些缺点，比如严格定时比较困难。在调试过程中采取的是自上至下的调试方法，单独调试好每一个模块，然后在联结成一个完整的系统调试。3.3软硬联调：由于本系统的软硬件联系不是很紧密，一般是软件D/A输出后就能直接和硬件相联进行工作，因此在软硬件通调的情况下，系统的软硬件联调的难度不大。过流检测恢复中断子程

15、序框图见附件5。图6整体软件设计流程图四、指标测试4.1测试仪器YB4360(60MHz)示波器；DT930F+4位半数字万用表；34401A六位半数字万用表；自藕调压器(0250V)。4.2指标测试(详细数据见附件七)4.2.1输出电压范围测试结果如表1：表1输出电压范围测试预置电压(V)303132333435E输出电压(V)30.01131.01832.02033.02134.02535.03036.4.2.2电压调整率测试结果如表2：表2电压调整率测试测试条件为输出电压36.052V,输出电流为2.OOAU2/V输出电压(V)U2(V)输出电压(V)U3/V输出电压(V)14.9635.98116.0135.98617.0435.99018.0535.99519.0435.99820.0136.00321.0136.00522.0236.006电压调整率为：(36.006-35.981)/35.995*100%=0.069%o以上数据输出电压用六位半表测得，输出电流用四位半表测得4.2.3负载调整率测试结果如表3：表3负载调整率测试输出电流(A)2.001.530.00输出电压(V)35.99536.00135.959负载调整率：(36.009-35.959)/36.009*100%=0.13%04.2.4噪声