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