電子設(shè)計競賽開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計

1、大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告 題目:實用開關(guān)穩(wěn)壓電源 參賽人：徐天慧 鄭春陽 李良起 2012年12月 一、設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作如圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源。DC-DC變換器IINU2=18V DC+-UoRLIO+-圖1開關(guān)穩(wěn)壓電源框圖1.2 技術(shù)指標(biāo)在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足以下要求：1基本要求（1） 輸出電壓UO可調(diào)范圍：0V15V，最大輸出電流IOmax：0.5A。（2） U2從12V變到15V時，電壓調(diào)整率SU5%（IO=0.5A）（3） IO從0變到0.5A時，負(fù)載調(diào)整率SI5%（U2=18V）（4） 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP0.5V（U2=20V,UO=15

2、V,IO=0.5A）（5） DC-DC變換器的效率50%（U2=18V,UO=15V,IO=0.5A）2發(fā)揮部分（1） 具有過流保護(hù)功能，動作電流IO（th）=1.5±0.1A，當(dāng)排除過流故障后，電源能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。（2） 能對輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值小于等于1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。（3） 盡量提高變換器的效率。（4） 其它。1.3題目分析 從設(shè)計任務(wù)上看，本次設(shè)計是個DC-DC的電源開關(guān)變換器，而且其中電源變換器的效率要求也是非常高的，并且本題的第一個難點在于它輸出電壓為可調(diào)，輸出電流也可調(diào)。所以要求電壓調(diào)節(jié)與電流調(diào)節(jié)要精確。 二、方案

3、論證與比較 2.1 DC-DC主回路拓?fù)涞姆桨高x擇 DC-DC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會造成效率的降低，而本題沒有要求輸入輸出隔離，所以選擇非隔離方式，根據(jù)要求，需要升降壓電路，具體有以下幾種方案：方案1：串并聯(lián)開關(guān)電路形式。實際上此電路是在串聯(lián)開關(guān)電路后接入一個并聯(lián)開關(guān)電路。用電感的儲能特性來實現(xiàn)升降壓，電路控制復(fù)雜，但能達(dá)到題目要求的0-15VU，可以滿足U2從從12V變到15V時，電壓調(diào)整率SU5%的變化。（見圖1） 圖1方案2：采用恒頻脈寬調(diào)制控制器芯龍XL 6009E01，這個芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為400KHz，輸

4、出電壓可達(dá)40V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時間可以調(diào)整，輸出級的拉灌電流可達(dá)200mA，驅(qū)動能力較強(qiáng)。芯片內(nèi)部有兩個誤差比較器，一個電壓比較器和一個電流比較器。電流比較器可用于過流保護(hù)，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快。輸出電壓為： 以上比較，故選擇方案2。2.2 控制方法的方案選擇考慮到發(fā)揮部分要顯示輸出的電壓和電流，所以采用單片機(jī)系統(tǒng)控制?？刂崎_關(guān)的導(dǎo)通與截止。本系統(tǒng)采用STC12C5A32S2作為系統(tǒng)的核心，內(nèi)部自帶10位AD，精度較高，滿足題目要求。通過采集取樣電阻的電壓，可以計算出輸出電壓。采集電流傳感器的電壓，計算出對應(yīng)電流，當(dāng)達(dá)到動作電流時，單片機(jī)控制升降壓芯片的EN腳，給

5、低電平，可以關(guān)閉升降壓模塊的輸出。2.3 提高效率的方案選擇影響效率的因素主要包括單片機(jī)及外圍電路功耗，單片機(jī)及外圍電路供電電路的效率和DCDC變換器的效率。1） 升降壓斬波電路中開關(guān)管的選?。弘娏w管（GTR）耐壓高、工作頻率較低、開關(guān)損耗大；電力場效應(yīng)管（Power MOSFET）開關(guān)損耗小、工作頻率較高。從工作頻率和降低損耗的角度考慮，選擇電力場效應(yīng)管作為開關(guān)管。2） 選擇合適的開關(guān)工作頻率：為降低開關(guān)損耗，應(yīng)盡量降低工作頻率；為避免產(chǎn)生噪聲，工作頻率不應(yīng)在音頻內(nèi)。綜合考慮后，我們把開關(guān)頻率設(shè)定為20kHz。3） 升降壓電路中二極管的選?。洪_關(guān)電源對于二極管的開關(guān)速度要求較高，可從快速

6、恢復(fù)二極管和肖特基二極管中加以選擇。與快速恢復(fù)二極管相比，肖特基二極管具有正向壓降很小、恢復(fù)時間更短的優(yōu)點，但反向耐壓較低，多用于低壓場合?？紤]到降低損耗和低壓應(yīng)用的實際，選擇肖特基二極管。4） 控制電路及保護(hù)電路的措施：控制電路采取超低功耗單片機(jī)IC XL6009E01，其工作電流僅280A；顯示采取低功耗1602LCD；控制及保護(hù)電路的電源采取了降低功耗的方式，單片機(jī)由7805從輸入端引出單獨供電。三、詳細(xì)軟硬件分析3.1 整體設(shè)計：整機(jī)原理圖單片機(jī)通過鍵盤控制電壓的步進(jìn)，在芯龍XL 6009E01內(nèi)部的電壓誤差放大器產(chǎn)生一個高或低電平，控制脈寬變化，來達(dá)到調(diào)整輸出電壓的變化，反復(fù)調(diào)整后使

7、輸出達(dá)到設(shè)定得值為止。參考電壓輸出后電壓的反饋調(diào)節(jié)是由芯龍XL 6009E01自動調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)速度快。 由于本設(shè)計對效率的要求比較高，所以在設(shè)計時盡量選用低功耗的單片機(jī)，而且單片機(jī)的外圍電路要盡量少，本系統(tǒng)外圍電路只有鍵盤，顯示（A/D集成在STC12C5A32S2內(nèi)部），這樣可以盡可能的提高效率。框圖見圖4。3.2 理論分析與參數(shù)計算3.2.1 控制電路設(shè)計與參數(shù)設(shè)計： 控制電路選用單片機(jī)來采集電壓和電流，并且在液晶上顯示。通過判斷電流值的大小，控制開關(guān)管的導(dǎo)通，過流保護(hù)。3.2.2 效率的分析： 輸入功率計算公式： ，輸出功率計算公式： 。由于題目要求DC/DC變換器（控制器）都只能由Ui

8、n端口供電，不能另加輔助電源，所以單片機(jī)及一些外圍電路消耗功耗要盡量的低。提高效率主要是要降低變換器的損耗，變換器的損耗主要有MOSFET導(dǎo)通損耗, MOSFET 開關(guān)損耗 MOSFET 驅(qū)動損耗，二極管的損耗、輸出電容的損耗，和控制部分的損耗，這些損耗可以通過降低開關(guān)頻率等方法來降低。3.2.3 保護(hù)電路設(shè)計與參數(shù)設(shè)計：康銅電阻的大小選擇：康銅絲主要起兩個作用，過流保護(hù)和測試負(fù)載電流。康銅絲接在整流輸入地和負(fù)載地之間，越小越好，這樣會使兩個地之間的電壓很小。但是如果太小由于干擾問題會造成過流保護(hù)的誤判，并且對于后級運放的要求比較高，經(jīng)過實驗，選擇0.1歐姆的電阻效果比較好。由于電阻太小，難以

9、測量，所以先測得1歐姆的電阻，然后截取其長度的十分之一。 芯龍XL 6009片內(nèi)有電流誤差放大器?？捎糜谶^流保護(hù)?？点~電阻上的壓降，與預(yù)先調(diào)好的值進(jìn)行比較.若電流過大，輸出高電平，開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，使輸出電壓降低，形成保護(hù)功能。一旦輸出電壓降低，導(dǎo)致輸出電流降低，檢測電壓降低，電流誤差放大器就會輸出低電平，所以該電路具有自恢復(fù)功能。34軟件設(shè)計：本設(shè)計的軟件設(shè)計比較簡單，完全出于效率的要求，把外圍電路設(shè)計的盡可能的少，所以單片機(jī)驅(qū)動外圍芯片均采用I/O口直接控制，沒有采用總線方式。四、系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試過程共分三部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟硬件聯(lián)調(diào)。4.1  硬件調(diào)試：由于該系統(tǒng)的閉環(huán)控

10、制主要由芯片芯龍XL 6009自動控制，單片機(jī)主要起輸出參考電壓，顯示等一些輔助作用，再者根據(jù)理論值進(jìn)行元器件的選擇由于精度和干擾的影響，往往得到的結(jié)果和理論分析值又有一定的偏差，所以硬件調(diào)試難度很大。4.2軟件調(diào)試：本系統(tǒng)的軟件程序完全由C51編寫，C語言效率高，但同時也存在一些缺點，比如嚴(yán)格定時比較困難。在調(diào)試過程中采取的是自上至下的調(diào)試方法，單獨調(diào)試好每一個模塊，然后在聯(lián)結(jié)成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。 五、   指標(biāo)測試5.1測試儀器示波器，數(shù)字萬用表；5.2 指標(biāo)測試5.2.1輸出電壓范圍測試結(jié)果如表1：表1 輸出電壓范圍測試預(yù)置電壓（V)1.25369121415輸出電

11、壓（V)1.252.956.048.9812.0514.0415.065.2.2電壓調(diào)整率測試結(jié)果如表2：表2 電壓調(diào)整率測試輸入電壓（V）輸出電壓（V）輸入電壓（V）輸出電壓（V）1214.891415.001314.961515.00電壓調(diào)整率為（15-14.89）/15=0.7%5.2.2負(fù)載調(diào)整率測試結(jié)果如表3：表3 負(fù)載調(diào)整率測試輸出電流（A）0.250.300.50輸出電壓（V)15.115.0514.9負(fù)載調(diào)整率為（15.1-14.9）/15=1.3%5.2.4 噪聲及紋波測試：（U2=18V，Uo=14V，Io=0.5A，示波器AC耦合，掃描速度20ms/div） Vopp&l

12、t;= 290mV5.2.5 效率測試：（U2=18V，Uo=15V，Io=0.5A）Iin= 0.53A，Uin=18.01V，Uo=14.89V ，Io=0.44A，計算得效率為：73%。5.2.6 過流保護(hù)：過流保護(hù)動作電流為1.42A5.3 系統(tǒng)對題目的完成情況：表4 系統(tǒng)對題目的完成情況對照表  基本部分 要求實現(xiàn)輸出電壓范圍0-15V輸出電壓范圍為0-16V最大輸出電流0.48A符合要求電壓調(diào)整率Su<5%電壓調(diào)整率為4.54%負(fù)載調(diào)整率負(fù)載調(diào)整率5%輸出噪聲紋波電壓峰峰值Vopp<= 490mV變換器的效率73%過流保護(hù)的動作電流1.42

13、A發(fā)揮部分電壓調(diào)整率5%電壓調(diào)整率為4.52%負(fù)載調(diào)整率5%負(fù)載調(diào)整率4.67%變換器的效率73%過流后能否自動恢復(fù)能鍵盤設(shè)置步進(jìn)1V達(dá)到指標(biāo)5.4 結(jié)果分析和總結(jié)：各項結(jié)果都符合系統(tǒng)指標(biāo)，產(chǎn)生誤差的原因包括：測量時設(shè)備不同，所用元器件精度不夠，兩個不同地之間的干擾等。電壓調(diào)整率方面：電壓采樣電阻的精度會影響其電壓的變化。電阻隨溫度的變化而阻值相應(yīng)的會有所變化，這樣給反饋的電壓不準(zhǔn)，導(dǎo)致輸出地電壓會變化。這是最主要的原因之一。外界的干擾也會導(dǎo)致不同程度的變化，外界干擾會導(dǎo)致輸出有一個沖擊偏差，這樣進(jìn)入反饋就會導(dǎo)致所有的都變化，調(diào)整率會變化。紋波電壓方面：紋波電壓主要有電感的電流變化與電容的等效

14、串聯(lián)電阻的大小，線路的組織大小有關(guān)系。最重要的是外界的干擾和開關(guān)噪聲的干擾，使紋波電壓太大。 通過這次比賽收獲不少，總感覺時間不夠用，自己掌握的知識太少。在此也學(xué)到了很多，團(tuán)隊合作很重要，把理論運用到實踐中去需要多方面的能力。通過此次比賽，我們的動手能力得到了提升，知識得到了鞏固。以后會注意把知識學(xué)有所用。六、 附件61 附件一： 鍵盤模塊的方案選擇 方案一：采用集成芯片8279控制鍵盤，單片機(jī)資源占用少，響應(yīng)穩(wěn)定，這樣單片機(jī)可以很方便的控制，但功耗高，本設(shè)計只需要3個鍵盤就可以滿足要求，故不采用這種方案。方案二：按鍵直接接在I/O口上，編程簡單，應(yīng)用方便，且滿足要求，在沒有鍵按下時根本沒有任

15、何功耗。鑒于上面分析，本設(shè)計采用方案二。6.2附件二：XL6009 升壓型直流電源變換器芯片最大輸出電流：3A；最高輸入電壓：XL6009為532V輸出電壓：Adj (1.25V)可調(diào)；改變 R2 和R1 的比例關(guān)系，來調(diào)節(jié)輸出電壓。例如：R2=18K R1=1K VOUT=1.25*（1+R2/R1） 得出輸出電壓為 23.75V。振動頻率：400kHz；轉(zhuǎn)換效率：80%90%（不同電壓輸出時的效率不同）；封裝形式：TO263-5L;控制方式：PWM；工作溫度范圍：-40 +125工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制；工作模式控制：TTL電平兼容；所需外部元件：只需極少的外圍器件便可構(gòu)成

16、高效穩(wěn)壓電路；外圍元件少，低紋波。器件保護(hù)：熱關(guān)斷及電流限,輸出短路保護(hù)功能；輸入電源開關(guān)噪聲抑制功能；Enanle開關(guān)信號的遲滯功能；6.3 附件三：核心原理圖由于開關(guān)電源的頻率高，對外有干擾，并且本題指標(biāo)要求高，抗干擾能力要求特別嚴(yán)格，所以在布線時要特別小心，所以我們選擇了畫PCB圖，然后自行腐蝕，然后把線刻出，這樣的話測試方便，抗干擾性能也好。圖5 和圖6分別是核心原理圖。圖5 核心原理圖圖6過流恢復(fù)原理圖7.5附件六：重要源程序 #include<STC12C5A60S2.h>#include "delay.h" #include "AD.h&

17、quot;#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

18、 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(5,0,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()LCD_Init