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1、2012 年陕西省第三届大学生德州仪器（TI ）杯模拟及模数混合电路应用设计竞赛设计报告封面学校编号 组（队）编号 选题编号参赛队编号（参赛学校填写） 1 3 2 0 CLED 照明用恒流电源变换器摘 要随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。近年来 ,随着功率电子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM 技术以及电源理论发展 ,新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。该电路具有外围电路简单，电压和电流应力小，抗过载能力强，输出特性好，纹波小，负载调整率高等特点。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有
2、推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文采用双端驱动集成电路TL494 输的 PWM 脉冲控制器设计正激式供电电源，用微处理器实现 PI 调节。利用 MOSFET 管作为开关管，可以提高电源变压器的工作效率，有利于抑制脉冲干扰，同时还可以减小电源变压器的体积。关键词：PI；PWM；MOSFET；半桥电路；单端正激1 方案设计与论证1.1 总体方案描述该系统采用反激变换器，TL494 输出脉冲，再经过反激变换器控制开关管的导通、关断时间，从而实现输出电流的调节。本电路还从输出电流采样形成光耦反馈，实现电流的稳定输出。MSP430F149 单片机及模数、数模转换芯片实现电流值的显示和按键
3、控制输出电压。总体框图如图 1-1 所示。图 1-1 系统框图1.2 主电路输入电压可调模块TL494产生波 形过压保护TPS2812 驱动单端反激变换器光耦反馈A/D采压按键+D/A转换MSP430F149方案一：利用电位器接在变压器输出端实现电压的手动调节，虽然该方案简单易实现，但电阻耗能太大，降低了效率。方案二：采用 TI 提供的高耐压 LM2596HV 和电位器实现电压的调节。 综合比较以上方案，第二种方案效率高，输出调节范围稳定，所以采用第二种方案。1.3 反激变换器方案一：采用 Boost 升压电路。开关的开通和关断受外部 PWM 信号控制，电感 L将交替地存储和释放能量，电感 L
4、 储能后使电压泵升，而电容 C 可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为 UO=(ton+toff)，通过改变 PWM 控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单。方案二：反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护二极管、电感构成的回路。反激开关电源，当功率开关管导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器
5、的初级线圈中，由于同名端关系，次级侧二极管不导通，负载没有电流通过。当功率开关晶体管断开时，变压器次级绕组以输出电压为负载供电，并对变压器进行消磁。方案三：采用半桥变换电路，优点是高频变压器利用率高，传输功率大，电路效率很高，缺点是电路较复杂，且有直通危险。隔离型效率高，且安全，故采用方案二。1.4 脉冲输出电路方案一：利用 PWM 专用芯片产生 PWM 控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。方案二：TL494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494 有 SO-16 和P
6、DIP-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求10 。TL494 能产生 PWM，能调整频率和脉宽，还有一路基准电压，这些都满足 DC-DC 的条件，采用不同拓扑，得到升压和降压。 综合比较以上方案，第二种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。1.5 波形驱动模块方案一：采用运算放大器接成放大电路，对输出波形进行放大。方案二：TPS2812 驱动芯片外部结构简单，驱动能力强，输出波形稳定，所以本设计采用。1.6 反馈模块方案一：直接采用定值电阻将输出电流反馈到 TL494 的 1 脚实现电流输出稳定。方案二：采用光耦反馈，耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信
7、号有良好的隔离作用。由于本设计采用反激变换器，输入与输出已隔开，所以采用光耦反馈，采用方案二。1.7 模数转换方案一：采用 MSP430F149 内部 12 位 AD，采样速度比较快，但是会占用单片机很大一部分内部资源，影响单片机处理速度。方案二：采用外部 ADS1115 该模数转换芯片转换精度较高，为 16 位。拥有 4 个采样通道。能达到题目要求，而且采样准确。采用 16 位 DAC8560 数模转换芯片，该芯片不仅有高速的转换速率，而且还有很高的转换精度。为达到题目要求，提高精度，选择方案二。1.8 显示模块方案一：采用普通 LED 显示。其优点是元器件价格低廉，而且外围电路简单。但是扫
8、描要占用大量的 I/O 口资源，还增大了单片机的运算开销，显示的信息也不够丰富。方案二：采用 LCD 液晶屏显示。其优点是显示信息非常丰富，可以很形象的显示各个参数。占用的 I/O 资源比较少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。鉴于本系统的扩展要求，我们采用 LCD 液晶作为我们的显示模块。2 系统硬件、软件的实现2.1 硬件的实现2.1.1 变压、整流、EMI 滤波电路电网提供的交流电一般为 220V（或 380V） 。而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同。因此，常常需要将近电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。 整
9、流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。滤波器由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器出直流电压的幅值也将随之而变化，在要求比较高的电子设备中，这种情况是不符合要求的。电路图如图 2-1 所示。20VL364位1mH57uF/C.9GND8SWITEKR图 2-1 变压电路图2.1.2 主电路输入电压可调模块采用高耐压的 LM2596-ADJ 芯片
10、实现电压的可调。电路图如图 2-2 所示。 M-AJ图 2-2 LM2596 连接电路图2.1.3 反激变换器反激电路当开关管导通后，续流二极管处于断态，电感储能增加。开关断后，初级绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过次级绕组和续流二极管向输出端释放。在控制开关管导通的 T1 期间，输入电源 Ui 对变压器初级线圈 N1 绕组加电，初级线圈 N1 绕组有电流 i1 流过，在 N1 两端产生自感电动势的同时，在变压器次级线圈 N2绕组的两端也同时产生感应电动势，但由于 VD 关闭，没有产生回路电流，变压器次级线圈开路，即变压器次级线圈相当于一个电感，所以流过变压器初级线圈绕组的电流就是变压器
11、的励磁电流。变压器初级线圈绕组两端产生的自感电动势可用下式表示：UdtiLe11式中，e 为变压器初级线圈 N1 绕组产生的自感电动势；L1 是变压器初级线圈 N1 绕组的电感。对上式进行积分可得：)0(11iLUi当控制开关管由接通突然转换为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流 i1 突然为0，这意味着变压器铁芯中的磁通要产生突变，但这是不可能的。如果变压器铁芯中的磁通产生突变，变压器初、次级线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势又会产生无限大的电流，而电流又会抑制磁通的变化，因此，变压器铁芯中的磁通变化最终还是要受变压器初、次级线圈中的电流约束。因此，在控制开关管关断的期间，变压器铁芯中
12、的磁通主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定，即： oUdtiLe22)0(22iio.8mH?IRFP46KCD7WMNu/V图 2-3 反激电路图2.1.4 脉冲输出电路TL494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494 有 SO-16 和 PDIP-16 两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下： TL494 主要特征:集成了全部的脉宽调制电路。片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。内置误差放大器。内止 5V 参考基准电压源。可调整死区时间。内置功率晶体管可提供 5
13、00mA 的驱动能力.推或拉两种输出方式。TL494 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下： CtRf*1.输出脉冲的宽度是通过电容 CT 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管 Q1 和 Q2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。TL494 内置一个 5.0V 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达 10mA 的负载电流，在典型的 070温度范围 50mV 温漂条件下，该基
14、准电压源能提供5%的精确度。应用电路图如图 2-4 所示。NOI625MP3V4DTG7E89LkK位+uFW图 2-4 TL494 连接电路图2.1.5 波形驱动模块TPS2812 具有很高的驱动能力，其在电路中的应用如图 2-5 所示。US图 2-5 TPS2812 连接电路图2.1.6 光耦反馈模块通过模数转换芯片采集到电压送至单片机处理，单片机控制液晶显示输出的电流值。电路图如图 2-6 所示。 13876524TLP0KR?nFCGNDV图 2-6 保护电路图2.1.7 过压保护将电路输出电压与所给的参考基准电压通过运算放大器进行比较，当输出电压高于参考电压时蜂鸣器会想，通过按键实现
15、手动复位。电路图如图 2-7 所示。OF1-2+3VE4OF5UT6C7SRBE8*CA3140R143.KGND C21042VGNDR134.7KC410GNDR310KVC 12 VC 12C104R81KR91KD31N48S1C3104GNDD2LEGNDD11N48R41KR74KR12KR10KR61KGNDQ3850Q2805GND12VGND12V接 继 电 器+-*蜂 鸣 器out3Vs+109841*LM24R1420K18VR?5K Q2805R?30GNDGNDGND图 2-7 保护电路图2.1.8 辅助电源模块本系统采用 LM2596-12 完成辅助电源模块，LM2
16、596 的连接图如图 2-8 所示。HI图 2-8 辅助电源电路图2.2 软件实现2.2.1 按键控制输出电流通过 4*4 按键将信号送给单片机，单片机经过处理输出给 DAC8560 转换，最终实现按键控制电流。流程图如图所示。M S P 4 3 0 F 1 4 9按键设定 T L 4 9 4数模转换 液晶显示2.2.2 电流显示A/D 模数转换芯片 ADS1115，能够以高达每秒 860 个采样数据（SPS）的速度执行转换操作。从输出端采集到电压送至单片机处理数字信号，单片机将数字信号进行转换并将电压值显示在液晶屏上。在 MSP430F149 单片机中利用其内部的模数转换器ADC1115 进行转换。ADC12 的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别完成采集输入。ADC1115 是一个精度为 16 位的 ADC 内核。软件流程框图如图 4-1 所示。4 系统测试4
