DCDC开关电源及其控制系统9.docx
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DCDC开关电源及其控制系统9
摘要:
本报告是上海交通大学2005级电子信息与工程学院科技创新实验五的理论研究和实验报告部分,就本次‘DC-DC开关电源系统’的理论基础,设计流程以及测试结果展开讨论和研究。
本报告包含了设计者在实验中的所学,所想,所得,供各位读者和同行参考,由于时间参促,报告中难免存在不足之处,望各位同行不吝指教。
关键词:
DC-DC电源控制系统
脉冲宽度调制
有源低通滤波器
单片机
ABSTRACT
ThisreportisonepartofthecourseofScienceInnovationwhichisarrangedbythe2005Grade,ElectronicEngineeringDept,ShangHaiJiaoTongUniversity,itdiscussestheprinciples,software&hardwaredesignandthetestresultofthe“DC—DCSwitchPower&ControlSystem”.
Thisreportincludeswhatthedesignershavelearnedintheprocedureofthiscourse.Wehopeitcanserveyouasausefulreference.Theremustbesomedeficienciesinthisreport,anditisourgreatpleasureifyoucanpointoutforus.Thankyouforreading.
KEYWORDS
DC—DCSwitchPower&ControlSystem
PulseWidthModulationControl
OperationalAmplifierLow-PassFilter
SingleChipMachine
目录
1.概述1
1.1编写说明1
1.2名词定义1
1.3缩略语1
2.系统总述2
2.1系统组成2
2.2系统的主要功能4
3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计5
4.电压控制子系统的硬件设计15
5.电压测量子系统的硬件设计22
6.单片机子系统及软件设计29
6.1单片机软件系统功能的整体描述29
6.2软件结构概述30
7.致谢34
8.升压型系统简介35
9.参考文献37
10.附录A开发环境38
10.1硬件开发38
10.2软件开发38
11.附录B软件程序清单39
12.附录C系统操作说明书58
13.附录D测试和分析59
13.1测试项目和方法59
13.2测试的资源60
13.3测试结果及分析60
14.附录E课程学习心得和意见建议62
1.概述
1.1编写说明
此文档介绍了科技创新实验五中的单片机设定电压DC-DC电压转换器的设计原理,硬件结构,软件结构以及使用说明。
本文档编写目的是介绍本小组所设计的电压转换系统的原理以及设计过程以及系统的使用方法。
本文档主要面向电子类专业的学生以及电子设计爱好者,也可供普通读者参考和借鉴。
1.2名词定义
DC-DC电源――输入直流电压,转换为稳定的输出直流电压,分为降压型与升压型。
脉冲宽度调制――一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,输出方波的占空比被调制用来对模拟电路进行调制的一种非常有效的技术,广泛应用于测量,通信,功率控制与变换等许多领域。
占空比――脉冲宽度调制电路中,输出方波信号的高电压时间和总的时间比。
开环电压控制――单片机输出脉冲调制信号,来控制设定DC-DC电源的输出。
闭环电压控制――单片机控制输出脉冲调制波部分和AD反馈部分形成闭合回路,从而来控制输出电压,由于具有自动调节功能,因此相对于开环控制有更高的准确性。
1.3缩略语
DC-DC:
directcurrenttodirectcurrent(直流变换)
PWM——Pulse-WidthModulation(脉宽调制)
LPF――LowPassFilter(低通滤波器)
ADconvertor――analogydigitalconvertor模拟数字转换器件
2.系统总述
随着电子技术的发展,各种各样的电子器件不断的涌现,而相应的对供电的要求也各不相同。
现实生活中我们所遇到的供电都是国家标准的配置(中国是220伏特),为了满足各种电子器件的需要,我们需要设计一些能够实现电压转换功能的器件,即电源。
电源的一般功能就是交直流整流,电平转换。
本实验的设计目的是实现一个通过单片机进行电压转换控制,输入为20~30V,输出为5~10V,具有0.1±0.05V的精度。
2.1系统组成
下图为降压型开关电源的结构图
图2.1
系统可以分为三个部分,如下面三小节所示。
2.1.1DC-DC开关电源子系统
DC-DC开关电源子系统:
以TL494芯片为主体构成PWM调制器,再通过斩波、限幅、取样比较等电路,输出直流,输出电压再经过分压网络得到对应得电压,从而实现DC—DC的转换。
图2.2(科创讲座2)
2.1.2输出电压控制子系统
单片机输出占空比可调的脉冲信号,经过整形电路得到恒定的固定电平的输出,再通过有源滤波得到Vctl控制电压,利用光耦合实现信号变换和隔离,最终实现电压控制功能。
图2.3(科创讲座6)
2.1.3输出电压测量子系统
输出的信号通过信号的变换和隔离再通过AD转换器件编码反馈至单片机系统。
单片机闭环参与电压控制。
当外界条件改变产生干扰时,系统自动调整恢复至稳定的电压输出。
图2.4(科创讲座8)
2.1.4单片机PWM输出子系统
2.2系统的主要功能[1][3]
2.2.1DC-DC开关电源
TL494在工作时内部会产生一个固有的电压Vref,输出的电压反馈与固有电压产生差值经过误差放大,改变输出的反馈电压和TL494内固有的参考电压就可改变PMW的占空比,使得输入电压在10V到30V之间变化时,输出电压为一稳定值,调节滑动变阻器,可以使得输出电压在5V~10V之间变化。
2.2.2输出电压控制子系统
单片机产生的PWM信号做傅里叶级数展开之后是一个个次数、频率、幅度不同的正弦波的叠加。
通过低通滤波器转换为输出直流,从而达到控制开关电源输出电压的目的。
2.2.3输出电压测量子系统
DC-DC的输出作为AD模块的输入电压,AD采集过输入信号后,立即反馈到单片机,单片机对当前的电压值与预设值相比较控制PWM输出,从而实现闭环控制。
2.2.4单片机PWM输出子系统
单片机PWM输出子系统主要的功能是通过程序控制输出pwm波,从而达到控制输出电压的目的。
同时在电压检测环节中,单片机通过比较实测编码值与预设编码值从而改变输出的pwm波,直至输出稳定。
3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.1DC-DC系统概述
3.1.1主要功能和设计指标
本系统可以将20-30V的直流电压通过DC-DC脉宽调制,在DC-DC板输出负载端输出稳定的5-10V电压,负载两端误差小于0.1V,额定电流为1A。
DC-DC技术指标:
输入直流电压:
20V~30V
输出直流电压:
5V~10V
额定输出电流:
1A
限流值:
1.1A
电压调整率:
0.5%
电流调整率:
1%
输出电压纹波:
≤100mVp-p
效率:
≥65%
截止电流值;1.2A
3.1.2系统设计概述
本系统以TL494芯片为主体,输出的反馈电压V1和TL494内固有的参考电压V2作误差放大,再通过比较器实现脉冲调制,因此改变V1和V2就可改变PMW的占空比,使得输入电压在10V到30V之间变化时,输出电压为一稳定值,再利用滑动变阻器构成分压网络,从而改变滑动变阻器可以使输出电压在5~10V之间改变。
图3.1(科创实验讲座)
3.2核心部分TL494的基本原理
3.2.1芯片总述
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路,主要应用在各种开关电源中。
整个开关电源系统中,L494通过PWM信号起到关键的稳压作用。
图3.2
3.2.2TL494简图及管脚配置
图3.3(TL494datasheet)
1、2号脚是误差放大器I的同相和反相输入端;
3号脚是相位校正和增益控制
4号脚为间歇期调理,其上加0~3.3V电压时可使截止时间从2%线性变化到100%;
5、6号脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容来确定振荡频率;
7号脚为接地端;
8、9号脚和11、10号脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极;
12号脚为电源供电端;
13号脚为输出控制端,该脚接地时为并联单端输出方式,接14号脚时为推挽输出方式;
14号脚为5V基准电压输出端,最大输出电流10mA;
15、16号脚是误差放大器II的反相和同相输入端。
具体内部电路如下图所示
图3.4(TL494datasheet)
3.2.3基本原理
TL494从根本上来说是一块PWM控制电路的芯片。
输入的信号经过一定程度的放大后与内部晶振所产生的锯齿波信号相比较,得到具有一定占空比的方波。
图3.5(PatrickGriffithDesigningSwitchingVoltageRegulatorWithThetheTL494)
由图可见,控制信号高电平时,比较出的方波处于高电平,反之方波处于低电平。
这个方波是芯片内部产生的数字信号,对其进行处理转换为模拟信号的输出,从而完成系统设计的要求。
3.2.3.1晶振部分
图3.6
如图所示,内部晶振与外接的电阻和电容共同为芯片提供一频率固定的锯齿波。
内部结构电路在这里不详叙。
锯齿波的频率;
fosc=1/RT*CT
3.2.3.25V参考电压
图3.7
TL494内置5V参考电压,对应在12,14号管脚。
其中12号脚是外部电压输入管脚,其最大输入值不能超过41V,标准输入值在7V到40V之间,14号脚是标准的5V输出管脚可能在4.75V到5.25V之间变化,从而有纹波的产生。
5V参考电压还是晶振,触发器,比较器的稳定电源,在电路中有很重要的作用。
3.2.3.4PWM生成模块
图3.8
由图所示,两个差分管应用时Vin+作为输入电压,Vin-由参考电压分压提供,输入电压总是在变化,当输入大于分压时,差分管的输出电压会增加直至限幅,与锯齿波比较后会得到占空比逐渐增大的方波信号。
当输入小于分亚时,由于差分管在输出端有一个二极管整流,所以输出电压会降到零,从而占空比呈逐渐减小的趋势。
根据以上的规律,响应电压的上下波动改变其PWM波的占空比,通过回路反馈反相调节输出电压,使其达到一个稳定的输出。
3.2.3.5输出回路
图3.9
本系统中采用单端输出,outputcontrol置0,屏蔽从触发器过来的信号,直接将PWM信号放大输出。
3.3系统整体设计方案
图3.10DC-DC简图(不全,科创课件)
图3.11DC-DC开关电源电路图(由04级学长提供)
整体电路如上,以下对几个部分进行分析。
3.3.1晶振的频率设计
图3.12
实验中选取电容C=0.001uF,R=51kΩ从而Fosc=19kHz
3.3.2开关三极管电路设计
图3.13
取R1=150ΩR1起到将电压转化为电流的作用
R2=51ΩR2起到馈电和放电的作用
3.3.3低通滤波部分设计
图3.14
低通滤波部分将PWM波转化为直流电流输出。
其中二极管的作用是去除负值电压,达到减少噪声和纹波的目的。
电感的取值要综合考虑滤波效果和磁饱和现象,推荐值为1mH,但在实际实验中笔者发现有的小组采用2mH的电感最后得到了更好的滤波效果。
电容值尽量大以减小纹波。
实验中采用的值:
L=0.9mH
C5=470uF
C6=100uF
电路图中的C1也是起到滤波作用,选取C1=470uF
3.3.4差分放大器
图3.15(科创讲座)
差分放大器将输出电压的采样值与内部5V电压相比较,通过TL494及电路调制使最终输出稳定在一个值上。
这里可以看到整个系统的工作原理,到输出为想要的值时,1号脚与2号脚上的电压值相等,当输出出现波动时,1号脚上的电压变大,与2号脚上的电源产生电压差,芯片内部差分放大器输出增大。
PWM波占空比变化,使得在TIP42上得占空比减小,从而导致输出减小。
反之(输出变小)亦然。
这样输出一直在波动,输出为一个带有纹波的直流电压。
实验中选取的R5=2k
R8=3k
从而输入2号脚电压值为2V,
差分输入网络为
R11=5.1k
R12=0~22k
R13=5.1k
R14=0~100k
通过调节R12使得输出在5~10V,(实际电路中考虑到光耦合会使输出范围减小,设计时适当的增加了范围,大概为4.8~10.2V)
运放反馈回路参数取值为C2=0.1uF
R3=51kΩ
R4=1MΩ
3.3.5限流电路
图3.16图3.17
系统设计要求输出电流上限为1.1A,15,16号管脚用作此用途。
可以认为负载上所有电流都流过R10,设计中选取R10=0.1Ω,所以当负载电流最大时,16号脚上的电压值为0.11V,若要限幅,15号脚上分得的电压应也为0.11V。
选取R9=150Ω
R6=5.1KΩ
(开始时采用R9=100Ω,后来通过理论分析发现不符合要求改至150Ω)
至此,DC-DC电压部分基本设计介绍完毕。
4.电压控制子系统的硬件设计
4.1系统概述
第三节中我们设计出了,电压可以从5~10变化的开关电源,但是由于电源电压的改变是通过改变电位器的大小来实现的,因此在实际应用中特别是在远程控制中不易实现。
电压控制系统就是来解决这个问题的,我们知道,如果要改变输出电压,只需要改变1号脚上的分压比,
图4.1(科创讲座)
除了改变两个电位器的大小,我们还可以采用以下的方案
图4.2
即在R12两端加上一个可控的电压器件,实验中我们采用的是光耦合器件4N25来实现。
此系统的主要功能是实现单片机对电压输出的开环控制,单片机输出占空比可调制的pwm波,通过此系统选出其直流分量,通过光耦合器件将电压传递至分压网络的R12两端,从而通过改变占空比的大小来改变R12两端的电压值继而改变DC-DC开关电源的输出。
因此,我们只要测出每一个电压所对应的占空比,在单片机输出时,晶体管上显示电压值,单片机输出相应占空比大小的PWM波即可。
具体的软件流程将在后面的单片机软件子系统中详细介绍。
4.2设计原理
4.2.1整体框架
整体思路是单片机产生PWM波,先经过整流稳压电路,再经过低通滤波器选出直流分量,再通过光耦合器件耦合到DC-DC开关电源。
单片机产生PWM波的部分再软件设计流程中描述。
图4.3
4.2.2整流稳压电路
整流稳压电路的作用是将单片机输出的不稳定的PWM波变为稳定的高电平固定为4V的PWM波,并将其反相处理。
整体的框架如下:
图4.4(科创讲座)
4.2.2.1基准电源电路
基准电源电路的作用是提供稳定的电压为PWM波提供标准的电平。
电路如下图所示
图4.5(科创讲座)
电路的核心器件是TL431,器件图如下
图4.6(TL431datasheet)
图4.7(TL431datasheet)
在TL431的正负极输入5V电压后,REF脚会输出稳定的2.56V电压
TL421的工作特性;
最大工作电压37V
工作电流0.05~10mA
工作温度-650C~1500C
查阅芯片datasheet可知,TL431在此电路属于A,B序列类型,此时参考电压,参考电流可从下表中查得
图4.8(TL431datasheet)
Vref=2.495VIref=1.8A输出要求是4V
从而计算出
实际中选取R1=3KΩR2=5KΩ
4.2.2.2反相整形电路
此部分电路的核心是芯片4011,芯片管脚和内部结构如下
图4.9(4011datasheet)
芯片的14号脚连接基准电压电路的输出,PWM波的输入接到1号脚和2号脚上,通过芯片内部图可看到信号经过了一个与非门。
3号脚作为整流的输出,从而起到了反相的作用。
4.2.3低通滤波电路
低通滤波电路的作用是将选出PWM波中的直流分量。
图4.10(科创讲座)
电路图如图所示,电路是一个二阶低通滤波器,二阶低通滤波器的网络函数为:
H(s)=
根据设计单片机输出的PWM信号的频率是1000Hz,但是我们设计的滤波器并不是理想的,都有一定的过渡带宽,所以设计的滤波器的截止频率应该尽量的小,我们最后确定滤波器的截止频率大概在20Hz左右。
根据模电有关的理论知识,再低通滤波器的设计中我们一般是先取定R1和R2的值来计算电容,本实验中由于指定了两个电容为1uF,故选取电阻R1=R2=30kΩ。
截止频率
值为33.3rad/s所以截至频率为5.3Hz。
此电路的核心器件是LM741,
图4.11(LM741datasheet)
其中7号脚和4号脚分别接±5V的电压。
4.2.4信号的变换与隔离部分
信号的变换与隔离部分主要采用的是光耦合元件4N25,如图所示:
图4.12(4N25datasheet)
4N25是通过二极管与三极管之间通过光电耦合,实际中应用的电路如下:
图4.13(科创讲座)
此电路设计的关键是Rctl正确的选取,开始时采用讲义中的5.1K,但在测试时发现输出的电流范围很小,这样在DC-DC开关电源控制就无法达到5~10V的范围,最终选取的值为2K。
5.电压测量子系统的硬件设计
5.1系统总述
前面两个子系统中我们已经实现了电压开环控制的功能。
但是由于实际应用电压不可能保持绝对的稳定,会有一定的扰动,根据自动控制相关理论可知,开环控制系统抗干扰能力很差,因此我们要对输出的电压值进行采集,回馈到单片机输出PWM波系统,系统进行脉宽调制直到输出的电压满足要求。
实验中的扰动是由分压网络上100Ω的滑动变阻器来产生的。
电压测量子系统的框架如下:
图5.1
其中信号的变换与隔离以及产生固定参考电压的基准电压电源电路在前面都已经讨论过,本节主要讨论A/D采集部分。
5.2系统原理
5.2.1系统总述
电压测量子系统是以ADC0804作为核心器件,通过采集输出的电压进行编码,通过总线反馈至单片机。
基准电压电源电路产生固定的电压输出,作为ADC0804的基准电压。
5.2.2电压采集部分电路
5.2.2.1ADC0804的原理
ADC0804是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换器芯片。
引脚图如下:
图5.2(ADC0804datasheet)
其内部的结构如下图:
图5.3(ADC0804datasheet)
其主要功能参数如下
八位分辨率(0~255);
不可调误差在±1LSB之内;
输出由三态缓冲器控制;
转换时间100us;
工作温度范围在-650C~-1500C。
其主要的接口定义如下:
1号脚:
CS片选信号输入
2号脚:
RD允许输入端
3号脚:
WRAD转化启动信号输入端
5号脚:
INTR转换完成信号输出端,信号转换完后输出一低电平
6号脚,7号脚:
Vin+,Vin-待量化的模拟电压的输入端
11号脚~18号脚:
DB7~DB0,量化结果的输出
4号脚和19号脚:
使用时要在外部接上一RC滤波器
图5.4(ADC0804datasheet)
20号脚:
+5V参考电压
10号脚:
接地(GND)
ADC0804工作时,CS端为低电平工作,但是芯片并未工作,当WR端有一个低电平启动信号时AD工作一次并将转换后的数据储存起来,同时芯片产生一个中断信号从INTR传送至单片机,单片机采集到这个信号后输出一个低电平到RD端读入ADC0804内存储的编码值。
这样单片机就完成了一次AD采样。
实际电路中,芯片的CS端接到单片机上的CS3端,片选地址的范围为0110000000000000~0110111111111111,所以在单片机内使用了0x6000~0x7FFF段地址读取ADC0804的数值。
5.2.2.2输入分压网络的设计
图5.5分压网络(科创讲座)
DC-DC电源输出电压经过光耦合后至电压测量子系统后获得VA,实验中R1取2KΩ,R2取10KΩ,得出VA的动态范围为1.37v至2.23v。
根据ADC0804的AD转换原则,即用0至255来表示
由0至1的变化,我们应使
≈
=1.37;
≈(
-
)/2=0.43v。
经过计算,确定
=2kΩ,
=1kΩ,
=10kΩ,
=1.5kΩ为我们的实际电路参数。
由于R5,R6分压电路出的电压由于单片机内部的回馈会很不稳定,因此要在此处介入一个电压跟随器来稳定电压。
图5.6(科创邮件)
5.2.2.3ADC0804与单片机的连接
图5.7(科创讲座)
连接依照此图一一对应,注意接口上的一一对应。
图5.8(科创单片机资料)
5.2.3整流稳压电路
此部分设计与4.2.2.1节中设计完全相同,要注意输出的的电压是4V。
图5.9
5.2.4信号的隔离与变换
此部分的设计与开环设计中一样,这里不再赘述。
5.3电路总述
整体电路如下所示
图5.10
6.单片机子系统及软件设计
6.1单片机软件系统功能的整体描述
本次科技创新所使用的单片机是AtmelAt89S52型单片机。
其硬件图见图一。
主要控制器件为5个开关:
SW1、SW2、SW3、SW4、SW5,其中SW5为复位开关,SW1、SW2、SW3、SW4分别有LED1、LED2、LED3、LED4四个LED指示灯指示按键状态。
显示部分为四位7段数码管。
I/O口有5个10芯,双排排线插座,分别是:
P1、P3、P5、P6、P7;一个26芯,双排排线插座:
P4;单排针:
3脚JP1,24脚P8等。
单片机主要为前一级DC-DC开关电源系统提供占空比可调的PWM信号,通过4n25光耦合芯片,从而控制DC-DC的输出电压,是之在5-10V(降压部分)或15-20V(升压部分)之间可调。
该C51程序的开发是基于KeiluVision2与KeiluVision3的集成编译环境的基础上编译和调试的。
主要功能如下:
降压开环状态时,可跟据所要输出的电压,调整到程序中设定的占空比,从P1^4输出管脚输出稳定的P
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