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1、大学生电子设计竞赛设计报告题目 : 实用开关稳压电源参赛人：徐天慧郑春阳李良起 2018年 12 月精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页2 / 11 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。图 1 开关稳压电源框图1.2 技术指标在电阻负载条件下，使电源满足以下要求：1基本要求（1）输出电压 UO可调范围： 0V15V，最大输出电流IOmax：0.5A。（2）U2从 12V 变到 15V 时，电压调整率 SU5%IO=0.5A）（3）IO从 0 变到 0.5A 时，负载调整率 SI5%
2、U2=18V）（4）输出噪声纹波电压峰 -峰值 UOPP0.5VU2=20V,UO=15V,IO=0.5A）（5）DC-DC 变换器的效率50%U2=18V,UO=15V,IO=0.5A）2发挥部分（1）具有过流保护功能，动作电流IOth）=1.5 0.1A，当排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态。（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。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非常高的，并且本题的第一个难点在于它输出电压
3、为可调，输出电流也可调。所以要求电压调节与电流调节要精确。DC-DC 变换器IINU2=18V DC + - UoRLIO+ - 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页3 / 11 二、方案论证与比较2.1 DC-DC 主回路拓扑的方案选择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，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，根据要求，需要升降压电路，具体有以下几种方案：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
4、电路。用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂，但能达到题目要求的 0-15VU，可以满足 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：采用恒频脉宽调制控制器芯龙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 ，驱动能力较强。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环控制，调整速度快。输出电压为：以上比较，故选择方案2。2.2 控制方法的方案选择考虑到发挥部分要显
5、示输出的电压和电流，所以采用单片机系统控制。控制开关的导通与截止。本系统采用STC12C5A32S2 作为系统的核心，内部自带精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页4 / 11 10 位 AD ，精度较高，满足题目要求。通过采集取样电阻的电压，可以计算出输出电压。采集电流传感器的电压，计算出对应电流，当达到动作电流时，单片机控制升降压芯片的EN脚，给低电平，可以关闭升降压模块的输出。2.3 提高效率的方案选择影响效率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 DC DC变换器的效率。1）升降压
6、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，选择电力场效应管作为开关管。2）选择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；为避免产生噪声，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，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。与快速恢复二极管相比，肖特基二极管具有正向压降很小、恢复时间更短的优点，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，选
7、择肖特基二极管。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 XL6009E01 ，其工作电流仅280A；显示采取低功耗1602LCD ；控制及保护电路的电源采取了降低功耗的方式，单片机由7805 从输入端引出单独供电。三、详细软硬件分析3.1 整体设计：整机原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页5 / 11 单片机通过键盘控制电压的步进，在芯龙XL 6009E01内部的电压误差放大器产生一个高或低电平，控制脉宽变化，来达到调整输出电压的变化，反
8、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节是由芯龙XL 6009E01自动调节的，调节速度快。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 理论分析与参数计算3.2.1 控制电路设计与参数设计：控制电路选用单片机来采集电压和电流，并且在液晶上显示。通过判断电流值的大小，控制开关管的导通，过流保护。3.2.2 效率的分析：输入功率计算公式：，输出功率计算公式：。由于题目要求 DC/DC变换器 控制器）都只能由
9、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，和控制部分的损耗，这些损耗可以通过降低开关频率等方法来降低。3.2.3 保护电路设计与参数设计：康铜电阻的大小选择：康铜丝主要起两个作用，过流保护和测试负载电流。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很小。但是如果太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比较高，经过实验，选择0.1欧姆的电阻效果比较好。由于电阻太
10、小，难以测量，所以先测得1 欧姆的电阻，然后截取其长度的十分之一。芯龙 XL 6009 片内有电流误差放大器。可用于过流保护。康铜电阻上的压降，与预先调好的值进行比较.若电流过大，输出高电平，开关管处于关断状态，使输出电压降低，形成保护功能。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，所以该电路具有自恢复功能。34 软件设计：本设计的软件设计比较简单，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采用I/O 口直接控制，没有采用总线方式。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
11、闭环控制主要由芯片芯龙XL 6009 自动控制，单片机主要起输出参考电压，显示等一些辅助作用，再者根据理论值进行元器件的选择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一定的偏差，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。在调试过程中采取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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页6 / 11 五、 指标测试5.1 测试仪器示波器，数字万用表；5.
12、2 指标测试5.2.1 输出电压范围测试结果如表1：表 1 输出电压范围测试预置电压 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V）输出电压V）输入电压V）输出电压V）12 14.89 14 15.00 13 14.96 15 15.00 电压调整率为 15-14.89 ）/15=0.7% 5.2.2 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.
13、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= 290mV5.2.5 效率测试： U2=18V，Uo=15V，Io=0.5A）Iin= 0.53A，Uin=18.01V，Uo=14.89V ，Io=0.44A，计算得效率为： 73%。5.2.6 过流保护：过流保护动作电流为1.42A5.3 系统对题目的完成情况：表 4 系统对题目的完成情况对照表基本部分要求实现输出电压范围 0-15V输出电压范围为0-16V最大输出电流 0.48A符合要求电压调整率 Su5%电压调整率为
14、4.54%负载调整率负载调整率 5%输出噪声纹波电压峰峰值Vopp可调；改变 R2 和 R1 的比例关系，来调节输出电压。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。 控制方式： PWM； 工作温度范围： -40 +125 工作模式：低功耗 /正常两种模式可外部控制； 工作模式控制： 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。 器件保护：热关断及电流限,输出短路保护功能；
15、输入电源开关噪声抑制功精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页8 / 11 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，并且本题指标要求高，抗干扰能力要求特别严格，所以在布线时要特别小心，所以我们选择了画PCB 图，然后自行腐蚀，然后把线刻出，这样的话测试方便，抗干扰性能也好。图5 和图 6 分别是核心原理图。图 5 核心原理图图 6 过流恢复原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页9 /
16、11 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_work(0 。val=(val+0.075*40 。a0=(ucharval/100 。a1=(ucharval%100/10 。a2=10。a3=(uchar
17、val%10 。LCD_Write_Char(2,0,zifua0。LCD_Write_Char(3,0,zifua1。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页10 / 11 LCD_Write_Char(4,0,zifua2。LCD_Write_Char(5,0,zifua3。 void II( float ii 。ii=AD_work(1 。ii=ii*10 。bb0=(ucharii/100 。bb1=(ucharii%100/10 。bb2=10 。bb3=(ucharii%10 。bb4=(uchar(ii-a
18、0*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( 。AD_init( 。LCD_Write_String(0,0,voltage 。LCD_Write_String(0,1,I 。while(1 vall( 。if(AD_work(0 en=1。II( 。 else en=0。 LCD_Write_Str
19、ing(0,1,I 。 delayms(200。delayms(200。 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页11 / 11 /*void ysv(float ys ys=ys*10。c0=(ucharys/100 。c1=(ucharys%100/10 。c2=10 。c3=(ucharys%10 。LCD_Write_Char(3,0,zifuc0。LCD_Write_Char(4,0,zifuc1。LCD_Write_Char(5,0,zifuc2。LCD_Write_Char(6,0,zifuc3。 */ /*void zkb( float bb。bb=CCAP0H 。bb=bb*100/256。d0=(ucharbb/10 。d1=(ucharbb%10 。d2=10。d3=(uchar(bb-d0*10-d1*10。LCD_Write_Char(10,0,zifud0。LCD_Write_Char(11,0,zifud1。LCD_Write_Char(12,0,zifud2。LCD_Write_Char(13,0,zifud3。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页
