电子设计竞赛开关稳压电源设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子设计竞赛开关稳压电源设计.精品文档.大学生电子设计竞赛设计报告 题目:实用开关稳压电源 参赛人：徐天慧 郑春阳 李良起 2012年12月 一、设计任务与要求1.1设计任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。DC-DC变换器IINU2=18V DC+-UoRLIO+-图1开关稳压电源框图1.2 技术指标在电阻负载条件下，使电源满足以下要求：1基本要求（1） 输出电压UO可调范围：0V15V，最大输出电流IOmax：0.5A。（2） U2从12V变到15V时，电压调整率SU5%（IO=0.5A）（3） IO从0变到0.5A时，负载调整率SI5

2、%（U2=18V）（4） 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP0.5V（U2=20V,UO=15V,IO=0.5A）（5） DC-DC变换器的效率50%（U2=18V,UO=15V,IO=0.5A）2发挥部分（1） 具有过流保护功能，动作电流IO（th）=1.50.1A，当排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。（2） 能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值小于等于1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。（3） 尽量提高变换器的效率。（4） 其它。1.3题目分析 从设计任务上看，本次设计是个DC-DC的电源开关变换器，而且其中电源变换器的效率要求也是非常高的，并且本题的第一个难点在

3、于它输出电压为可调，输出电流也可调。所以要求电压调节与电流调节要精确。 二、方案论证与比较2.1 DC-DC主回路拓扑的方案选择 DC-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，根据要求，需要升降压电路，具体有以下几种方案：方案1：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，但能达到题目要求的0-15VU，可以满足U2从从12V变到15V时，电压调整率SU5%的变化。（见图1） 图1方案2：采用恒频脉宽调制控制器

4、芯龙XL 6009E01，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为400KHz，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。输出电压为： 以上比较，故选择方案2。2.2 控制方法的方案选择考虑到发挥部分要显示输出的电压和电流，所以采用单片机系统控制。控制开关的导通与截止。本系统采用STC12C5A32S2作为系统的核心，内部自带10位AD，精度较高，满足题目要求。通过采集取样电阻的电压，可以计算出输出电压。采集电流传

5、感器的电压，计算出对应电流，当达到动作电流时，单片机控制升降压芯片的EN脚，给低电平，可以关闭升降压模块的输出。2.3 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DCDC变换器的效率。1） 升降压斩波电路中开关管的选取：电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。2） 选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。综合考虑后，我们把开关频率设定为20kHz。

6、3） 升降压电路中二极管的选取：开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，但反向耐压较低，多用于低压场合。考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管。4） 控制电路及保护电路的措施：控制电路采取超低功耗单片机IC XL6009E01，其工作电流仅280A；显示采取低功耗1602LCD；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，单片机由7805从输入端引出单独供电。三、详细软硬件分析3.1 整体设计：整机原理图单片机通过键盘控制电压的步进，在芯龙XL 6009E01内部的电压误差

7、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芯龙XL 6009E01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（A/D集成在STC12C5A32S2内部），这样可以尽可能的提高效率。框图见图4。3.2 理论分析与参数计算3.2.1 控制电路设计与参数设计： 控制电路选用单片机来采集电压和电流，并且在液晶上显示。通过判断电流值的大小，控制开关管的导通，过流保护。3.2.2 效率的分析： 输入功率计算公式

8、： ，输出功率计算公式： 。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。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。3.2.3 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

9、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。 芯龙XL 6009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，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，所以该电路具有自恢复功能。34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。四、系统调试调试过程共分三部分：硬

10、件调试，软件调试，软硬件联调。4.1 硬件调试：由于该系统的闭环控制主要由芯片芯龙XL 6009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。4.2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。五、 指标测试5.1测试仪器示波器，数字万用表；5.2 指标测试5.2.1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

11、压（V)1.25369121415输出电压（V)1.252.956.048.9812.0514.0415.065.2.2电压调整率测试结果如表2：表2 电压调整率测试输入电压（V）输出电压（V）输入电压（V）输出电压（V）1214.891415.001314.961515.00电压调整率为（15-14.89）/15=0.7%5.2.2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）0.250.300.50输出电压（V)15.115.0514.9负载调整率为（15.1-14.9）/15=1.3%5.2.4 噪声及纹波测试：（U2=18V，Uo=14V，Io=0.5A，示波器AC耦合，

12、扫描速度20ms/div） Vopp= 290mV5.2.5 效率测试：（U2=18V，Uo=15V，Io=0.5A）Iin= 0.53A，Uin=18.01V，Uo=14.89V ，Io=0.44A，计算得效率为：73%。5.2.6 过流保护：过流保护动作电流为1.42A5.3 系统对题目的完成情况：表4 系统对题目的完成情况对照表基本部分要求实现输出电压范围0-15V输出电压范围为0-16V最大输出电流0.48A符合要求电压调整率Su5%电压调整率为4.54%负载调整率负载调整率5%输出噪声纹波电压峰峰值Vopp= 490mV变换器的效率73%过流保护的动作电流1.42A发挥部分电压调整率

13、5%电压调整率为4.52%负载调整率5%负载调整率4.67%变换器的效率73%过流后能否自动恢复能键盘设置步进1V达到指标5.4 结果分析和总结：各项结果都符合系统指标，产生误差的原因包括：测量时设备不同，所用元器件精度不够，两个不同地之间的干扰等。电压调整率方面：电压采样电阻的精度会影响其电压的变化。电阻随温度的变化而阻值相应的会有所变化，这样给反馈的电压不准，导致输出地电压会变化。这是最主要的原因之一。外界的干扰也会导致不同程度的变化，外界干扰会导致输出有一个冲击偏差，这样进入反馈就会导致所有的都变化，调整率会变化。纹波电压方面：纹波电压主要有电感的电流变化与电容的等效串联电阻的大小，线路

14、的组织大小有关系。最重要的是外界的干扰和开关噪声的干扰，使纹波电压太大。 通过这次比赛收获不少，总感觉时间不够用，自己掌握的知识太少。在此也学到了很多，团队合作很重要，把理论运用到实践中去需要多方面的能力。通过此次比赛，我们的动手能力得到了提升，知识得到了巩固。以后会注意把知识学有所用。六、 附件61 附件一： 键盘模块的方案选择 方案一：采用集成芯片8279控制键盘，单片机资源占用少，响应稳定，这样单片机可以很方便的控制，但功耗高，本设计只需要3个键盘就可以满足要求，故不采用这种方案。方案二：按键直接接在I/O口上，编程简单，应用方便，且满足要求，在没有键按下时根本没有任何功耗。鉴于上面分析

15、，本设计采用方案二。6.2附件二：XL6009 升压型直流电源变换器芯片最大输出电流：3A；最高输入电压：XL6009为532V输出电压：Adj (1.25V)可调；改变 R2 和R1 的比例关系，来调节输出电压。例如：R2=18K R1=1K VOUT=1.25*（1+R2/R1） 得出输出电压为 23.75V。振动频率：400kHz；转换效率：80%90%（不同电压输出时的效率不同）；封装形式：TO263-5L;控制方式：PWM；工作温度范围：-40 +125工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制；工作模式控制：TTL电平兼容；所需外部元件：只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路；外围元

16、件少，低纹波。器件保护：热关断及电流限,输出短路保护功能；输入电源开关噪声抑制功能；Enanle开关信号的迟滞功能；6.3 附件三：核心原理图由于开关电源的频率高，对外有干扰，并且本题指标要求高，抗干扰能力要求特别严格，所以在布线时要特别小心，所以我们选择了画PCB图，然后自行腐蚀，然后把线刻出，这样的话测试方便，抗干扰性能也好。图5 和图6分别是核心原理图。图5 核心原理图图6过流恢复原理图7.5附件六：重要源程序#include#include delay.h #include AD.h#include 1602.hsbit en=P17;uchar code zifu=0,1,2,3,4

17、,5,6,7,8,9,.; uchar code voltage=U v;uchar code I=I A;uchar a5;uchar bb5;uchar num; void vall()float val; val=AD_work(0);val=(val+0.075)*40;a0=(uchar)val/100;a1=(uchar)val%100/10;a2=10;a3=(uchar)val%10;LCD_Write_Char(2,0,zifua0);LCD_Write_Char(3,0,zifua1);LCD_Write_Char(4,0,zifua2);LCD_Write_Char(5,

18、0,zifua3);void II()float ii; ii=AD_work(1);ii=ii*10;bb0=(uchar)ii/100;bb1=(uchar)ii%100/10;bb2=10;bb3=(uchar)ii%10;bb4=(uchar)(ii-a0*100-a1*10-a3);LCD_Write_Char(2,1,zifubb0);LCD_Write_Char(3,1,zifubb1);LCD_Write_Char(4,1,zifubb2);LCD_Write_Char(5,1,zifubb3);LCD_Write_Char(6,1,zifubb4);void main()LC

19、D_Init();AD_init();LCD_Write_String(0,0,voltage);LCD_Write_String(0,1,I);while(1)vall();if(AD_work(0)=1.5) en=1;II(); elseen=0; LCD_Write_String(0,1,I); delayms(200);delayms(200); /*void ysv(float ys)ys=ys*10;c0=(uchar)ys/100;c1=(uchar)ys%100/10;c2=10;c3=(uchar)ys%10;LCD_Write_Char(3,0,zifuc0);LCD_Write_Char(4,0,zifuc1);LCD_Write_Char(5,0,zifuc2);LCD_Write_Char(6,0,zifuc3);/*void zkb()float bb;bb=CCAP0H;bb=bb*100/256;d0=(uchar)bb/10;d1=(uchar)bb%10;d2=10;d3=(uchar)(bb-d0*10-d1)*10;LCD_Write_Char(10,0,zifud0);LCD_Write_Char(11,0,zifud1);LCD_Write_Char(12,0,zifud2);LCD_Write_Char(13,0,zifud3);