E题 开关稳压电源.docx

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1、E题开关稳压电源本系统以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

2、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。ABSTRACTForthissystemtoC8051F020corevo1tagecanbepreset,steppingvo1tageofIVoutputvo1tagerangeof30Vto36V,outputcurrentis0-2.Thatpresetvo1tagecanbemeasuredvo1tage,currentmeasurement,themeasuredefficiency.Thesystem

3、main1ybythesma11estSCMsystem,T1494chipPWMcontro1signa1,themainboostswitchingpowersupp1ycircuit,/I)andD/component.Throughthekeyboardpresetvo1tageT1494gaveac1osed-1oopfeedback1oop,samp1ingthevo1tagecopperwireKangindirect1ycurrentandprojectedthat.Thesystemhasadjustedspeed,highprecision,1owvo1tageadjust

4、ment,theadjustedrates1ow1oad,highefficiency,noauxi1iarypowersupp1yp1usap1ate,theadvantagesofsma11outputripp1e.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De-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

5、关管VI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3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

6、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

7、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

8、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I0二、详细软硬件分析2.1整体设计:图4总体设计檎图单片机通过键盘控制电压的步进,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

9、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03304mm,直径应为此深度的2倍,即为O.6608mm。选择的AW

10、G导线规格为21#,直径为0.0785Cm(含漆皮).磁芯选择铁银钥磁芯,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其他器件选择见附件2。2.2.2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)o13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:。

11、由于题目要求DC/DC变换器(控制器)都只能由Uin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/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

12、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

13、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1.5V时输出为36V,分压为1.25V时输出为30V,设计中采用了12位D/A转换精度为0.6ImV(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

14、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。2.1 硬件调试: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。2.2 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

15、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。2.3 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序框图见附件50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)4.3 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)30313233343536输出电压(V)30.01131.01832.02033.02134.02535.03036.0354.2.2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2.0OAU2/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%。以上数据输出电压用六位半表测得,输出电流用四

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