2022年电子设计方案竞赛开关稳压电源设计方案 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 高校生电子设计竞赛设计报告题目 : 有用开关稳压电源参赛人：徐天慧郑春阳李良起 2022 年 12 月名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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；+ IINDC-DC + IORLU 2=18V DC 变换器Uo- - 图 1 开关稳压电源框图1.2 技术指标在电阻负载条件下,使电源满意以下要求：1基本要求（1） 输出电压 UO可调范畴： 0V15V,最大输出电流 IOmax：0.5A；（2） U2从

2、12V 变到 15V 时,电压调整率 SU5%IO=0.5A）（3） I O从 0 变到 0.5A 时,负载调整率 SI5%U2=18V）（4） 输出噪声纹波电压峰 -峰值 UOPP0.5VU 2=20V,U O=15V,I O=0.5A）（5） DC-DC 变换器的效率 2发挥部分50%U2=18V,U O=15V,I O=0.5A）（1） 具有过流爱护功能,动作电流 IOth）=1.50.1A,当排除过流故障后,电源能自动复原为正常状态；（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

3、；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特别高的,并且此题的第一个难点在于它输出电压为可 调,输出电流也可调；所以要求电压调剂与电流调剂要精确；2 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二、方案论证与比较2.1 DC-DC 主回路拓扑的方案挑选 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,而此题没有要求输入输出隔 离,所以挑选非隔离方式,依据要求,需要升降压电路,具体有以下

4、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,电路掌握复杂,但能达到 题目要求的 0-15VU,可以满意 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：采纳恒频脉宽调制掌握器芯龙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,驱动才能较强；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

5、环掌握,调整速度快；输出电压为：2.2 以上比较,故挑选方案2；掌握方法的方案挑选考虑到发挥部分要显示输出的电压和电流,所以采纳单片机系统掌握；控制开关的导通与截止；本系统采纳STC12C5A32S2作为系统的核心,内部自带 3 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 10 位 AD,精度较高,满意题目要求；通过采集取样电阻的电压,可以运算出输 出电压；采集电流传感器的电压,运算出对应电流,当达到动作电流时,单片机掌握升降压芯片的 EN脚,给低电平,可以关闭升降压模块的输出；2.3 提高效率的方案挑选 影响效率

6、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,挑选电力场效应管作为开关管；2）挑选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 防止产生噪声,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；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,可从快速复原二极管和肖特基二极管中加以挑选；与快速复原二极管相 比,肖特基二

7、极管具有正向压降很小、复原时间更短的优点,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,挑选肖特基二极 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 1602LCD；掌握及爱护电路 XL6009E01,其工作电流仅 280 A；显示实行低功耗 的电源实行了降低功耗的方式,单片机由 7805 从输入端引出单独供电；三、具体软硬件分析3.1 整体设计：整机原理图4 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 单片机通过键盘掌握电

8、压的步进,在芯龙 XL 6009E01 内部的电压误差放大器产生一个高或低电平,掌握脉宽变化,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剂是由芯龙 XL 6009E01自动调剂的,调剂速度快；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 理论分析与参数运算3.2.1 掌握电路设计与参数设计：掌握电路选用单片机来采集电压和电流,并且在液晶上显示；通过判定电流值的大小,掌握开关管的导

9、通,过流爱护；,输出功率运算公式：；3.2.2 效率的分析：输入功率运算公式：由于题目要求 DC/DC变换器 掌握器）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,和掌握部分的损耗,这些 损耗可以通过降低开关频率等方法来降低；3.2.3 爱护电路设计与参数设计：康铜电阻的大小挑选：康铜丝主要起两个作用,过流爱护和测试负载电 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

10、很小；但是假如太小由于干扰问题会造成过流爱护的误判,并且对于后级运放的要求比较高,经过试验,挑选0.1欧姆的电阻成效比较好；由于电阻太小,难以测量,所以先测得 1 欧姆的电阻,然后截取其长度的特别之一；芯龙 XL 6009 片内有电流误差放大器；可用于过流爱护；康铜电阻上的压降,与预先调好的值进行比较.如电流过大,输出高电平,开关管处于关断状态,使输出电压降低,形成爱护功能；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,所以该电路具有自复原功能；34 软件设计：本设计的软件设计比较简洁,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

11、采纳 式；I/O 口直接掌握,没有采纳总线方四、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；4.1 硬件调试 ：由于该系统的闭环掌握主要由芯片芯龙 XL 6009 自动掌握,单片机主要起输出参考电压,显示等一些帮助作用,再者依据理论值进行元器件的挑选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肯定的偏差,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；在调试过程中实行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；5 / 11 名师归纳总结 - -

12、- - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 输出电压范畴测试结果如表 1：表 1 输出电压范畴测试预置电压 1.25 3 6 9 12 14 15 输出电压 1.25 2.95 6.048.9812.0514.0415.065.2.2 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输出电压输入电压输出电压 V）15.00 15.00 V）V）V）12 13 14.89 14.96 14 15 电压调整率为 15-14.89 ）/15=0.7% 5.2.2

13、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）0.25 0.30 0.50 输出电压 15.1 15.05 14.9 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,扫描速度 20ms/div） Vopp= 290mV 5.2.5 效率测试： U2=18V,Uo=15V,Io=0.5A）Iin= 0.53A ,Uin=18.01V,Uo=14.89V ,Io=0.44A,运算得效率为： 73%；5.2.6 过流爱护：过流爱护动作电流为 5.3 系统对题目的完成情形：1.42A表

14、4 系统对题目的完成情形对比表基要求实现输出电压范畴 0-15V输出电压范畴为0-16V最大输出电流 0.48A符合要求本电压调整率 Su5%电压调整率为 4.54%部负载调整率负载调整率 5%分输出噪声纹波电压峰峰Vopp 可调；转变 R2 和 R1 的比例关系,来调剂输出电压；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；掌握方式： PWM；工作温度范畴： -40 +125工作模式：低功耗 /正常两种模式可外部控 制；工作模式

15、掌握： 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；外围元件少,低 纹波；器件爱护：热关断及电流限,输出短路爱护功能；输入电源开关噪声抑制功7 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,并且此题指标要求高,抗干扰才能要求特殊严格,所以在布线时要特殊当心,所以我们挑选了画 PCB 图,然后自 行腐蚀,然后把线刻出,这样的话测试便利,抗干扰性能也好；图 5 和图 6 分 别是核心原理图；图

16、5 核心原理图图 6 过流复原原理图8 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 7.5 附件六：重要源程序#include #include delay.h #include AD.h #include 1602.h sbit en=P17；uchar code zifu=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,.；uchar code voltage=U v uchar code I=I A；uchar a5；uchar bb5 ；uchar num；void vall float val ；val=AD_w

17、ork0 ；val=val+0.075*40 ；a0=ucharval/100 ；a1=ucharval%100/10 ；a2=10 ；a3=ucharval%10 ；LCD_Write_Char2,0,zifua0LCD_Write_Char3,0,zifua1；9 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - LCD_Write_Char4,0,zifua2；LCD_Write_Char5,0,zifua3； void II float ii ；ii=AD_work1 ；ii=ii*10 ；bb0=ucharii

18、/100 ；bb1=ucharii%100/10 ；bb2=10 ；bb3=ucharii%10 ；bb4=ucharii-a0*100-a1*10-a3；LCD_Write_Char2,1,zifubb0；LCD_Write_Char3,1,zifubb1；LCD_Write_Char4,1,zifubb2；LCD_Write_Char5,1,zifubb3；LCD_Write_Char6,1,zifubb4； void main LCD_Init ；AD_init ；LCD_Write_String0,0,voltage ；LCD_Write_String0,1,I ；while1 val

19、l ；ifAD_work0 en=1；II ； else en=0； LCD_Write_String0,1,I ； delayms200；delayms200； 10 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - /*void ysvfloat ys ys=ys*10；c0=ucharys/100 ；c1=ucharys%100/10 ；c2=10 ；c3=ucharys%10 ；LCD_Write_Char3,0,zifuc0 LCD_Write_Char4,0,zifuc1；LCD_Write_Char5,0,zifuc2；LCD_Write_Char6,0,zifuc3； */ /*void zkb float bb；bb=CCAP0H ；bb=bb*100/256 ；d0=ucharbb/10 ；d1=ucharbb%10 ；d2=10 ；d3=ucharbb-d0*10-d1*10；LCD_Write_Char10,0,zifud0；LCD_Write_Char11,0,zifud1；LCD_Write_Char12,0,zifud2；LCD_Write_Char13,0,zifud3；11 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页