2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽A題報告

PAGE單相AC-DC變換電路（A題）【本科組】2013年9月6日摘要結(jié)合大賽題目要求（見附錄二），并且本著低成本高性能、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、直觀顯示等的設(shè)計思想，利用集成電路芯片ＴＬ４９４作為主控制芯片，通過引入輸出反饋使該芯片進行自動調(diào)節(jié)輸出電壓，進而得到所需要的電壓電流范圍。此外在整流橋后加入功率因數(shù)矯正電路以完善電源的功能與性能，并通過在前級交流輸入側(cè)利用電壓、電流互感器，設(shè)計出交流輸入側(cè)功率因數(shù)測量電路由單片機控制液晶顯示屏進行顯示，成功的設(shè)計出了一個符合大賽相關(guān)要求的高性能單相ＡＣ－ＤＣ變換電路。關(guān)鍵字：單片機TL494功率因數(shù)目錄1系統(tǒng)方案論證 11.1控制方法的方案選擇 11.2AC-DC主回路拓撲的方案選擇 11.3控制方法方案的論證與選擇 22系統(tǒng)理論分析與計算 22.1穩(wěn)壓穩(wěn)流原理的分析 32.2TL494振蕩頻率的計算 33電路與程序設(shè)計 33.1電路的設(shè)計 33.1.1系統(tǒng)總體框圖 33.1.2主回路原理圖及器件選擇分析 43.1.3電源 63.2程序的設(shè)計 63.2.1程序功能描述與設(shè)計思路 63.2.2程序流程圖 64測試方案與測試結(jié)果 84.1測試方案 84.2測試條件與儀器 84.3測試結(jié)果及分析 84.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 84.3.2測試分析與結(jié)論 8附錄1：題目要求 9附錄2：TL494內(nèi)部電路圖………11附錄3：源程序……………………13PAGEPAGE5單相AC-DC變換電路（A題）【本科組】1系統(tǒng)方案論證1.1控制方法的方案選擇方案一：采用單片機產(chǎn)生PWM波,控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止。根據(jù)A/D后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。負載電流在康銅絲上的取樣經(jīng)A/D后輸入單片機，當該電壓達到一定值時關(guān)閉開關(guān)管，形成過流保護。該方案主要由軟件實現(xiàn)，控制算法比較復(fù)雜，速度慢，輸出電壓穩(wěn)定性不好，若想實現(xiàn)自動恢復(fù)，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。方案二：采用恒頻脈寬調(diào)制控制器TL494，這個芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為1--300KHz，輸出電壓可達40V,內(nèi)有5V的電壓基準，死區(qū)時間可以調(diào)整，輸出級的拉灌電流可達200mA，驅(qū)動能力較強。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，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快。鑒于上面分析，選用方案二。1.2AC-DC主回路拓撲的方案選擇AC-DC主回路拓撲是由一個整流橋和DC-DC變換電路組成的。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，具體有以下幾種方案： 方案一：串聯(lián)開關(guān)電路形式。開關(guān)管V1受占空比為D的PWM波的控制，交替導(dǎo)通或截止，再經(jīng)L和C濾波器在負載R上得到穩(wěn)定直流輸出電壓Uo。該電路屬于降壓型電路，達不到題目要求的30--36V的輸出電壓。（見圖1）

圖1

圖2圖3方案二：并聯(lián)開關(guān)電路形式。并聯(lián)開關(guān)電路原理與串聯(lián)開關(guān)電路類似，但此電路為升壓型電路，開關(guān)導(dǎo)通時電感儲能，截止時電感能量輸出。只要電感繞制合理，能達到題目要求，且輸出電壓Uo呈現(xiàn)連續(xù)平滑的特性。（見圖2）方案三：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。（見圖3）綜上所述，選擇方案二。1.3控制方法方案的論證與選擇方案一：采用單片機產(chǎn)生PWM波,控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止。根據(jù)A/D后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。負載電流在康銅絲上的取樣經(jīng)A/D后輸入單片機，當該電壓達到一定值時關(guān)閉開關(guān)管，形成過流保護。該方案主要由軟件實現(xiàn)，控制算法比較復(fù)雜，速度慢，輸出電壓穩(wěn)定性不好，若想實現(xiàn)自動恢復(fù)，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。方案二：采用恒頻脈寬調(diào)制控制器TL494，這個芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為1--300KHz，輸出電壓可達40V,內(nèi)有5V的電壓基準，死區(qū)時間可以調(diào)整，輸出級的拉灌電流可達200mA，驅(qū)動能力較強。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，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快。鑒于上面分析，選用方案二。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1穩(wěn)壓穩(wěn)流原理的分析2.1.1鑒于ＴＬ４９４自帶有反饋控制端，因此電路中采用電壓采樣然后輸入到ＴＬ４９４的１管腳，與２管腳的設(shè)計電壓相比較。當反饋電壓大于２管腳電壓的時候，４９４內(nèi)部封鎖信號輸出端，待電壓降低后再繼續(xù)輸出。對于電壓較小時，則加大輸出占空比，使電壓逐步回升。對于電流，則需要先用小電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)運放放大再輸入到494的16管腳與15管腳的設(shè)計電壓比較，原理同電壓反饋相同。2.2TL494振蕩頻率的計算2.2.1f=1.1/（RC）其中R、C分別為5、6管腳所接的電壓電阻。本電路中電阻為22K，電容為1000PF，算的振蕩頻率為50KHZ。2.3采樣電阻的計算2.3.1穩(wěn)壓采樣電阻，由于要求穩(wěn)壓輸出為36V，而2管腳電壓為5V，所以并聯(lián)支路總電阻最少為采樣電阻的7.2倍。本電路采用1K采樣電阻，21K并聯(lián)分支總電阻。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖4所示，開關(guān)管PWM波電壓調(diào)節(jié)整流橋自耦變壓器交流輸入開關(guān)管PWM波電壓調(diào)節(jié)整流橋自耦變壓器交流輸入輸入側(cè)功率因數(shù)測量填谷式功率因數(shù)校正負載電路輸入側(cè)功率因數(shù)測量填谷式功率因數(shù)校正負載電路單片機圖４系統(tǒng)總體框圖3.1.2主回路原理圖及器件選擇分析圖５主回路原理圖如圖５所示，主回路電路主要由自耦可調(diào)變壓器、整流橋、開關(guān)管驅(qū)動電路、過壓保護、過流保護電路、ｐｃｆ功率因數(shù)矯正電路，輸入側(cè)功率因數(shù)測量電路等組成。以下將對上述電路各單位模塊進行獨立分析。１、自耦可調(diào)變壓器與整流橋都是獨立的集成模塊，可在市場上直接買到，而且使用簡單，原理明了，因此在這里不在祥述。２、電路主控制芯片選擇ＴＬ４９４（詳細資料見附錄２），振蕩頻率與第５、６管腳所接的電容電阻有關(guān)。采用推挽輸出的方式，將ＴＬ４９４第１３管腳接地，第８、１１、１２管腳接輸入電壓，第９、１０管腳并接向外輸出控制信號。第１管腳引入采樣的輸出電壓與２管腳構(gòu)成比較器，第１６管腳接電流采樣電路與１５管腳構(gòu)成比較器，并將反饋信號輸入到ＴＬ４９４內(nèi)部進而控制第９、１０管腳的輸出信號占空比最終調(diào)節(jié)負載上的電壓，保持輸出電壓、電流的穩(wěn)定?？紤]到ＴＬ４９４的輸出端并不能直接驅(qū)動ＭＯＳ管，因此在圖５中通過圖騰柱（如下圖６所示）來驅(qū)動開關(guān)管進行動作。圖６圖騰柱驅(qū)動電路３、過壓保護電路是通過在負載端并接一個由不同阻值電阻組成的電壓采樣電路。當反饋回到ＴＬ４９４的電壓值大于５Ｖ時，ＴＬ４９４減小占空比，減小采樣電阻上的電壓值進而減小負載兩端的電壓值。當反饋回的電壓值小于５Ｖ時反推即可。從而使輸出電壓穩(wěn)定在所需要的電壓大小范圍。４、過流保護電路通過自身所帶放大器將從負載支路中采得的反饋值輸入到16管腳，再與15管腳相比較，后續(xù)原理同過壓保護原理相同這里不再詳述。５、ｐｃｆ功率因數(shù)矯正電路，功率因數(shù)的校正是一項非常復(fù)雜的工作，對于初學(xué)者而言是一種非常難以實現(xiàn)的電路。然而經(jīng)過不斷地查閱資料就會發(fā)現(xiàn)，原來功率率因數(shù)的矯正電路也是有相對簡單的電路的，那就是填谷式功率因數(shù)矯正電路。該電路具有構(gòu)成簡單，器件少，成本低，實用性強等特點。不過這也是在犧牲一些效率的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，正所謂有利就有弊，這也是難免的。具體電路圖如下圖８所示：６、輸入側(cè)功率因數(shù)測量電路，該電路的運算部分主要是由單片機來完成。首先先通過電壓互感器與電流互感器將輸入側(cè)電路中的電壓電流通過ＬＭ３５８構(gòu)成的比較器以脈沖的形式輸入到單片機中，電路圖見下圖９。然后由單片機進行計時精確測量出輸入電壓電流過零點的時間差Ｔ，而后由以下公式推出功率因數(shù)角

單片機完成以上運算后借由液晶顯示屏將所測得的功率因數(shù)進行顯示。3.1.3電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)運算與顯示。2、程序設(shè)計利用單片機的外部中斷以及計時器功能，當電壓輸入端口中斷響應(yīng)時計時器開始計時，當電流輸入端口中斷響應(yīng)時計時器停止，測得計時時長經(jīng)過相應(yīng)的運算處理得到功率因數(shù)值，并顯示在液晶顯示屏上。3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖外部中斷信號輸入外部中斷信號輸入單片機檢測中斷信號單片機檢測中斷信號外部中斷０響應(yīng)外部中斷０響應(yīng)計時開始計時開始外部中斷１響應(yīng)外部中斷１響應(yīng)計時結(jié)束計時結(jié)束如果計時達到１０次，輸出結(jié)果如果計時達到１０次，輸出結(jié)果4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試上電測試，利用購買的自耦式可調(diào)變壓器按照要求輸入交流２４Ｖ，接上負載，利用萬用表檢測輸出端電壓電流。并用單片顯示功率因數(shù)。然后分別是輸出達到極限值觀察電路保護情況。2、軟件仿真測試利用ｐｒｏｔｅｕｓ畫出電路仿真圖，進行電路的各項性能測試。３、硬軟聯(lián)調(diào)軟件仿真結(jié)果與實測值進行比較，分析差異原因，找出改進方案。4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果(數(shù)據(jù))測試結(jié)果好下表所示：輸入電壓/v負載/歐姆輸出電壓/v輸出電流/A24036.010245035.980.70241830.021.70201828.761.61301832.641.814.3.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：1、電源基本功能能夠得以實現(xiàn)，但效率偏低。2、負載調(diào)整率距題目要求還有一定的差距。綜上所述，本設(shè)計基本達到設(shè)計基本要求。參考文獻：1.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 華成英童詩白 主編2.開關(guān)電源使用電路 周志敏 周繼海 紀愛華 主編3.開關(guān)電源設(shè)計 AbrahamI.Pressman 著附錄1：比賽題目要求單相AC-DC變換電路（A題）【本科組】一、任務(wù)設(shè)計并制作如圖1所示的單相AC-DC變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36V，輸出電流額定值為2A。RRL220VAC-DCIO變壓器USIS~UO變換電路圖1單相AC-DC變換電路原理框圖二、要求基本要求（1）在輸入交流電壓Us=24V、輸出直流電流Io=2A條件下，使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V。（2）當Us=24V，Io在0.2A～2.0A范圍內(nèi)變化時，負載調(diào)整率SI≤0.5%。（3）當Io=2A，Us在20V～30V范圍內(nèi)變化時，電壓調(diào)整率SU≤0.5%。（4）設(shè)計并制作功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)AC-DC變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測量，測量誤差絕對值不大于0.03。（5）具有輸出過流保護功能，動作電流為2.5A±0.2A。發(fā)揮部分（1）實現(xiàn)功率因數(shù)校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V條件下，使AC-DC變換電路交流輸入側(cè)功率因數(shù)不低于0.98。（2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V條件下，使AC-DC變換電路效率不低于95%。（3）能夠根據(jù)設(shè)定自動調(diào)整功率因數(shù)，功率因數(shù)調(diào)整范圍不小于0.80~1.00，穩(wěn)態(tài)誤差絕對值不大于0.03。（4）其他。附錄2：TL494內(nèi)部電路圖TL494的極限參數(shù)名稱代號極限值單位工作電壓Vcc42V集電極輸出電壓Vc1,Vc242V集電極輸出電流Ic1,Ic2500mA放大器輸入電壓范圍VIR-0.3V—+42V功耗PD1000mW熱阻RθJA80℃/W工作結(jié)溫TJ125℃工作環(huán)境溫度

TL494B

TL494C

TL494I

NCV494BTA

-40—+125

0—+70

-40—+85

-40—+125℃額定環(huán)境溫度TA40℃附錄3：源程序#include<reg52.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitP30=P3^0;sbitP31=P3^1;sbitRS=P2^5;//1602sbitRW=P2^6;sbitE=P2^7;uinti=0,j=0,m=0,n=0;uinta[6]={0,0,0,0,0,0};uints=0;floatcos(floatx);voidDelay(){_nop_();_nop_();}voidDelay_1ms(uchardel){ucharx=0,y=0; for(x=0;x<del;x++)for(y=0;y<148;y++){ }}voidBusy(void){bitbusy_flag=1;P0=0x80;RS=0;Delay();RW=1;Delay();E=1;Delay();while(1){busy_flag=(bit)(P0&0x80);if(busy_flag==0){break;}}E=0;}voidwcmd(uchardel)//寫指令{RS=0;Delay();RW=0;Delay();E=0;Delay();P0=del;Delay();E=1;Delay();E=0;}voidwdata(uchardel)//寫shuju{RS=1;Delay();RW=0;Delay();E=0;Delay();P0=del;Delay();E=1;Delay();E=0;}voidL1602_init(void)//初始化復(fù)位{Delay_1ms(15);wcmd(0x38);Delay_1ms(5);wcmd(0x38);Delay_1ms(5);wcmd(0x38);Busy();wcmd(0x38);Busy();wcmd(0x08);Busy();wcmd(0x01);Busy();wcmd(0x06);Busy();wcmd(0x0c);}voidL1602_char(ucharhang,ucharlie,ucharsign)//xianshizifu{ucharx=0;if(hang==1){x=0x80;}if(hang==2){x=0xc0;}x=x+lie;Busy();wcmd(x);Busy();wdata(sign);}voidL1602_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p){ucharx=0;if(hang==1){x=0x80;}if(hang==2){x=0xc0;}x=x+lie;while(1){Busy();wcmd(x);Busy();wdata(*p);x++;p++;if((*p=='\0')||(x==0x90)||(x==0xd0)){break;}}} voidTime0_Init(void){ TMOD=0X01;TH0=0xFF; TL0=0xFF; ET0=1; EA=1; TR1=1;}voidTime0()interrupt1{TH0=0xFF; TL0=0xFF; i++;}/*voidTime1_init(void){TMOD=0X0