DCDC开关电源及其控制系统第8组设计报告

1、技术文件完成时间:科技创新设计报告项目名称：DC-DC开关电源及其控制系统设计小组编号：128设计小组名单：上海交通大学电子信息与电气工程学院上海交通大学电子信息与电气工程学院地址：东川路800号邮编：200240摘要：本文档是单片机控制的 DC-DC开关电源电路系统的设计报告。整个系统由DC-DC开关电源, 单片机小系统，电压控制及电压检测四个子系统组成，实现对输出电压的开环和闭环控制。报告说 明了各子系统的设计方法以及电路参数的选取，硬件的工作原理和软件的编程思想，系统测试结 果，使用说明，实验心得，实物照片等。关键词：开关电源；脉冲宽度调制；单片机；模数转换ABSTRACTThis do

2、cume nt is the desig n report of a DC-DC switch ing power supply system con trolled by microcontroller. The whole system, which consists of a DC-DC switching power supply subsystem, a microc on troller subsystem, a voltage con trol subsystem and a voltage sampli ng system, accomplishes ope n loop an

3、d close loop control of the output voltage. This report details in the design method of every subsystem, hardware principles and software algorithm, along with the result of the test of the system, users in struct ions, etc.KEYWORDSswitch ing power supply; PWM; microc on troller; an alog-digital con

4、version上海交通大学电子信息与电气工程学院地址：东川路800号邮编：2002401. 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2.2.1.1 DC-DC开关电源子系统 2.2.1.2电压检测子系统 2.2.1.3单片机子系统 2.2.1.4电压控制子系统 2.2.2系统的主要功能.3.3. DC-DC开关电源子系统的硬件设计 4.3.1主要功能4.3.2系统设计指标4.3.3设计原理34.3.4设计方案5.3.4.1主要元件 5.3.4.2电路设计6.3.4.3元件参数选择 7.3.5纹波的控制8.4. 电压控制子系统的硬件设计 9.

5、4.1主要功能9.4.2设计原理与方案 9.4.2.1整形模块的设计原理与方案 94.2.2有源LPF模块的设计原理与方案 114.2.3信号变换与隔离模块的设计原理与方案 124.3温度对电压控制子系统的影响155. 电压测量子系统的硬件设计 1.65.1主要功能165.2设计原理及方案165.2.1基准电压模块的设计原理与方案 165.2.2信号变换与隔离模块的设计原理与方案 175.2.3 A/D转换模块的设计原理与方案 196. 单片机子系统及软件设计 247. 升压型DC-DC开关电源的硬件设计 257.1主要功能257.2系统设计指标257.3设计原理9257.4设计方案267.4

6、.1主要元件267.4.2电路设计277.4.3元件参数选择 278. 致谢29.9. 参考文献3010. 附录A开发环境.3.110.1硬件开发3110.2软件开发3111. 附录B 软件程序清单 3212. 附录C 系统操作说明书3313. 附录D 测试和分析 3413.1测试项目和方法10 .3413.1.1 DC-DC降压型开关电源部分 3413.1.2开环控制部分 3413.1.3闭环控制部分3413.2测试的资源3513.2.1测试设备与仪表 351322测试环境3513.3测试结果及分析3513.3.1 DC-DC部分的测试结果 .3513.3.2开环控制功能测试结果 3613.

7、3.3闭环控制功能测试结果3613.3.4升压型DC-DC部分的测试结果3613.3.5测试结果分析 3614. 附录E 课程学习心得和意见建议 381.概述1.1编写说明本文档是 DC-DC开关电源及其控制系统的设计报告。报告详细阐述了电路系统各部分的工作原理和设计方法，系统测试结果及有关问题的探讨。本文适合具有对DC-DC开关电源知识和单片机知识有一定了解人员阅读参考。1.2名词定义脉冲宽度调制脉冲宽度调制是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，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。占空比在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值

8、。模数转换对连续的模拟量进行量化，转换为离散的编码的方法。低通滤波器对信号进行处理的器件。信号通过滤波器后，只保留频率低的分量，去掉频率高的分量。开环控制不取输出量变化信号去控制输入量的控制方法。闭环控制从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量的控制方法。单片机单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，包括CPU、内存、内部和外部总线系统。1.3缩略语DC direct curre nt 直流AD an alog-digital 模拟-数字PWM pulse width modulation 脉冲宽度调制信号LPF low pass filter 低通滤波器2.系统总述2

9、.1系统组成本DC-DC开关电源及控制系统如图2-1所示。它由 DC-DC开关电源子系统、电压检测子系统、单片机子系统和电压控制子系统组成。20-30VDC输入DC-DC开关电源子系统变换耦合A-D电压检测子系统 5-10V可调/ 1A DC输出变换耦合十LPF整形电压控制子系统单片机子系统图2-1系统组成示意图12.1.1 DC-DC开关电源子系统DC-DC开关电源子系统将不太稳定的20-30V的DC输入电压转换为较为稳定的5-10V的可调DC电压。它的核心元件是 TL494。2.1.2电压检测子系统DC-DC开关电源子系统的输出电压经管光电耦合器件隔离、变换，得到的电压由AD0804进行A

10、D转换，转换得到的二进制编码传送给单片机子系统供闭环控制时使用。2.1.3单片机子系统单片机子系统根据使用者的选择使系统工作于开环模式或者闭环模式。在开环模式状态下，根 据使用者设定的电压，单片机子系统输出占空比一定的方波；在闭环模式状态下，根据使用者设定 的电压，单片机结合电压检测系统的二进制代码对实际输出电压进行判断，输出占空比可调的方 波，使DC-DC开关电源子系统的输出电压与设定电压一致。2.1.4电压控制子系统电压控制子系统对单片机子系统输出的方波进行整形，滤除交流分量，通过光电耦合器件将电 信号传给DC-DC开关电源子系统，使输出电压改变。2.2系统的主要功能本系统的主要功能是根据

11、使用者的要求，在单片机的控制下，将20V30V的DC电压转换成5V10V之间的稳定的 DC电压输出。系统具有开环控制和闭环控制两种模式。使用者通过单片机上的按键选择开环或闭环工作模式以及输出电压。3. DC-DC开关电源子系统的硬件设计3.1主要功能将输入的不是稳定的直流电压转换成稳定的直流电压输出，将输入的较高的直流电压转换成较 低的直流电压输出。3.2系统设计指标1输入电压：20V30V输出电压：5V10V电压调整率：=1%电流调整率：1%输出纹波：100mV动态响应：ms级效率：50%70%限流值：1.1A左右3.3设计原理3DC-DC开关电源的原理可利用图3-1说明。图3-1中，R，R

12、2为取样网络，取样电压 乂和基v ，接到电压比较ton ；当 V V传电源提供的电压 Vref加到误差放大器的两个输入端，误差放大器的输出反映他们之间的差值电压 v，将他们接到电压比较器的反相输入端。振荡器产生特定频率的三角波电压器的同相输入端。当V V时，比较器输出高电平，开关管饱和导通，时间为时，比较器输出低电平，开关管饱和截止，时间为toff。当VS Vref时，误差放大器输出静态电压VoVrefR42如ViR2切toff若某原因使V。升高，相应的,VS VREF，则误差放大器电压输出增大，致使管导通时间减小，结果是阻止了 V。升高，达到稳压的目的。反之亦然。图3-1 DC-DC开关电源

13、原理图3.4设计方案3.4.1主要元件本次实验采用 TI公司的TL494芯片作为DC-DC开关电源的核心元件，它的内部结构如图2。该芯片内部有两个误差比较器，可分另U对输出电压和输出电流进行控制。振荡器的频率由外接 的电容和电阻决定。芯片的管脚如图3-3。1IN+ 1162IN1-1IN-2152IN-FEEDBACK 314j REFDTC f413OUTPUT CTRLCT512vqcRT611C2GND 710E289图3-3 TL494芯片管脚41:1IN+第一个运放的冋相输入端2 :1IN-第一个运放的反相输入端3:FEEDBACK运放反馈端4:DTC死区控制5:CT内部振荡器电容端

14、6:RT内部振荡器电阻端7:GND接地8:C1第一个三极管的集电极9:E1第一个二极管的发射极10:E2第二个三极管的发射极11:C2第二个三极管的集电极12:Vcc工作电源输入13:OUTPUT CTRL输出控制14:REF基准电压输出端15:2IN-第二个运放的同相输入端16:2IN+第二个运放的反相输入端3.4.2电路设计DC-DC开关电源子系统的电路如图3-4。C3和R7组成RC振荡电路，其中开关频率等于1/R3*C7。TIP42为开关三级管，TL494的8、11引脚输出方波，控制 TIP42的关断。二级管 D为肖特基二极管，作为续流二极管。R10为了 0.1欧，用为电流采样，R11、

15、R12、R13、R14组成分压网络，通过调整R12使整个分压网络控制输出 电压在5-10V之间。3.4.3元件参数选择R1=300 QR2=100 QR3=51K QR4=1M QR5=5.1K QR6=8.2K QR7=830 QR8=5.1K QR9=240 QR10=0.1 QR11= 5.1K Q / 20KQ =4.06K QR12=020 K QR13=5.1K QR14=0100 QRL=10 QR15=0.1 QC1=470 卩 FC3=0.01 卩 FC4=470 卩 FC5=100 卩 F +470 卩 F =570 卩 FL=0.7 卩 HR1和R2给开关三极管提供合适的

16、工作点，R1=300 Q, R2=100 Q开关三极管能正常工作。C3和 R7 决定开关频率，选取 R3=820 Q ,C3=0.01卩F , 振荡频率1R3 C3|36Hz=122 103Hz 。R4与R5决定误差放大器的增益 G,取R4=1M Q R5=5.1K Q, GR4R51M5.1k196。820 0.01 10R8=R5=5.1K Q ,R5和 R8共同决定 TL494 芯片1号管脚的电压 V ,取R85V=2.5V。R5 R8R6 , R9 ,R10用于限流。选取 R6=8.2K Q ,R9=240 Q ,使15号管脚电压R9R6 R95V=0.142V 。3.5纹波的控制一开

17、始我们选取 R1=180 Q, R2=51 Q,发现输出电压中毛刺过大，毛刺的峰峰值甚至是三角波峰峰值的两倍，后来将R1和R2的值增大到原来的两倍，取R1=300 Q, R2=100 Q,毛刺几乎完全消除。我们绕制的电感实测值有0.7卩H，三角波的顶部有些尖，说明再增大电感就有可能完全进入磁饱和状态。所以我们没有增大电感。另外，C5取值增大可以减小纹波。当C5=100卩F,输入电压30V，输出电压 10V时，纹波峰峰值为 116mV，当C5=100卩F+470卩F时，纹波峰峰值降为 60mV，可见纹波得到了很好的控制，但效率略有下降。4.电压控制子系统的硬件设计4.1主要功能接收单片机输出的占

18、空比可调的方波信号，对其进行处理后去控制DC-DC的输出电压。由于单片机的供电电源电压不稳定，因此单片机输出的方波信号是占空比可调的不稳定 5V方波信号，故首先对此波形进行整形得到稳定的4V方波信号。而对稳定方波信号，进行有源LPF处理后就得到大小为 4* V的直流电压信号。直流电压信号再经过信号变换与隔离环节就能转换为控 制DC-DC输出的直流电流信号，而且此环节实现了控制单元（单片机电路）和被控电路（开关电 源电路）之间的电气隔离。4.2设计原理与方案4-1。整个子系统分为整形、有源LPF和信号变换与隔离三个模块，各个模块间的连接见图单mo讥整鬆r有源宿号喪ft# 隔离PWMLPF电压控删

19、分图4-1电压控制子系统各模块的连接示意图24.2.1整形模块的设计原理与方案4.2.1.1 设计原理整形模块的功能是将高电平不稳定的5V方波信号转换为高电平稳定的4V方波信号。整个电路框架如图X所示。基准电谭电路* （以TL43为核心器件）单片机小系统iru-/ 4011n_n_图4-2整形电路结构图【2在整形电路中，以 TL431为核心器件的基准电源电路输出恒定的4V电源，作为4011的供电电源。单片机输出的 SPWM1通过4011后反转成SPWM2，其中SPWM2的高电平为稳定的 4V。4.2.1.2设计方案4.2.1.2.1主要元件4-3。本次科创采用TL431作为基准电源电路的核心元

20、件。其管脚分布及符号表示如图5Pin1. Reference2 Anode3. CathodeReferenceCathode9(K)Anode6 (A)图4-3 TL431的实际管脚分布以及符号表示51: Referenee基准电压输出极2: Anode阳极3: Cathode阴极4.2.1.2.2电路设计图4-4是以TL431为核心器件的基准电源电路的电路图。Figure 2. Test Circuit for VkaVref图4-4基准电源电路54.2.1.2.3元件参数选择2.5V , Iref 很小,在基准电路中，In put为不恒定的5V电源，而V的要求为4V。由于Vref 可忽略

21、，所以R2击1曇1 0.6。选取R1=6kQ，R2=10k。4.2.2有源LPF模块的设计原理与方案4.2.2.1 设计原理使用有源LPF的目的是将脉冲信号的直流电压分量取出来而尽量抑止其他频率分量通过。使用低通滤波器可以达到这个效果。最理想的情况下，有源LPF能将所有交流分量滤掉，则占空比为以Vh为高电平的方波信号经过有源LPF后可以得到幅值为n*VH的直流电压信号。实际中，有源LPF是不能将所有交流分量都滤掉的，但只要选取合适的电路参数，就可以使得低通滤波器的截止频率小到能认为该滤波器是理想的。4.2.2.2设计方案4.2.2.2.1电路实现本次科创使用的是单位增益SALLEN-KEY 结

22、构低通滤波器，电路图如图 4-5所示。在复频域中Uo(S)Up(S)Un(S),1Up(s) C5Um(s),R2丄2 C1sU(s) Um(s) Um(s) Up(s) Um(s) Un(s)R1C2s由以上三式可得在频域中Uo(s)帀2RF2GC2S(RR2)Gs 1 Uo(jw)12U/jw)RR2GC2W (R R2)Gjw 1可视其为一个二阶低通滤波器，其截止频率为2 . R|R2C1c2Ui是占空比为 n且以Vh为高电平的方波信号，在fc足够小的情况下在近似认为输出端Vcti是幅值为 Vh的直流电压信号。422.2.2元件参数选择R1=82k QR2=82k QC1=0.1 卩 F

23、C2=0.1 卩 F计算可知，设计的低通滤波器的截止频率为2R|R2CiC219.42Hz。因为频率很小,可以近似认为此处的有源 LPF从方波信号中提出了直流分量。4.2.3信号变换与隔离模块的设计原理与方案4.2.3.1 设计原理利用光电耦合器可以实现信号的变换与隔离。光电耦合器主要由光源（发光二极管LED ）和光敏器件组成，如图4-6所示。通用的光耦是把一个发光二极管 LED和一个光敏三极管 VT封装在一个完全与外界光线隔离的外壳中。当电流流过 发光二极管 LED时，产生一个光源，光强度取决于激励电流大小，此光照射到封装在一起的光敏 三极管VT上后，控制 VT产生集电极电流。由于本系统使用

24、的是非线性光耦，所以流经发光二极 管的电流与光敏三极管的集电极电流之间呈非线性关系。4.2.3.2设计方案4.2.3.2.1主要元件本模块使用的核心元件为4N25，其管脚分布如图4-7所示。二二事图4-7 4N25的管脚分布图1: ANDOE阳极2: CATHODE阴极3: N.C.悬空端4: EMITTER发射极5: COLLECTOR集电极6: BASE基极423.2.2电路实现整个光耦转换模块的电路如图4-8所示。其中左边四个电阻组成的拓扑分压网络是DC-DC开关电源子系统的一部分。Vout图4-8光耦及拓扑分压网络电路图2在电路中，光耦的作用相当与给R12并上一个电流源，通过电流大小的

25、变化控制B点的电压大小，进而通过DC-DC开关电源子系统控制输出电压的改变。423.2.3元件参数选择Rctl 3k /5.1k /6.8k1.48k由于本系统采用的是非线性光耦，因此流过LED的电流与光敏三极管产生电流并不成线形比例关系。而且当流过 LED的激励电流过小时，将很难产生有效光强驱动光敏三极管产生电流；当 流过LED的激励电流过大时，产生的光强将饱和，光敏三极管产生电流不再有较大改变。因此要 正确选取使光电耦合正常工作的激励电流范围，也就是Rctl，确保系统工作正常。Rctl确定为1.48k Q,是反复多次调试的结果。实验中发现，当Rctl的取值大于2k Q时，20%-80%的占

26、空比不能完全覆盖5V-10V的输出电压，只能在大约7V-10V的范围内变化，而且很大一部分占空比对应的输出电压相同，说明LED上的电流使得光敏三极管工作于截止区或者饱和区。若Rctl的取值大约为1k Q,贝U 20%-80%的占空比只能覆盖大约5V-7V的输出电压，效果也不好。实验中还发现，图 4-8中，电阻R11 , R12 , R13 , R14的阻值同样会对开关电源子系统的输出电压产 生影响。而且光耦的并入还影响到图4-8中A , B两端向右视入的等效电阻。经过反复尝试，我们 将Rctl定为1.48k Q, R11定为5.1K Q 20K Q =4.06K Q,使得 28%-52%的占空

27、比能控制输出电压 为 5V-10V。4.3温度对电压控制子系统的影响几次对系统的开环测试发现，对于占空比相同的方波，DC-DC开关电源子系统的输出电压存在漂移，当数码管显示 5V时，输出电压能从约 4.75V变化到约4.9V。5V-6V附近的漂移尤其严重。 下面分析造成这种现象的原因。首先是环境温度。我们小组第一次进行开环控制占空比的测定是在 十一月初，当时气温较高，实验室没有开空调。不久以后，气温骤降，实验室开空调，使得室内气 温比十一月初未开空调时还要高，而且每天室内气温还有差别。这就导致系统工作的起始环境温度 不同，使系统中的元件所处的工作状态不一样，表现出的性能也有所区别。第二是水泥电

28、阻发热造 成局部温度升高。TL494芯片和外围电路元件会受到温度升高的影响。光耦是控制输出电压的关键 元件，对温度很敏感，它就放置在水泥电阻附近，受温度的影响很大。我们曾经尝试把水泥电阻移 走，放置在远离 DC-DC开关电源子系统的地方，温度漂移依然存在。这说明电路中还有别的因素 造成温度漂移。限于所学知识，我们没有进行更深入的分析。令我们感到欣喜的是，实验中发现，在系统上电十五分钟以后，输出电压漂移较小。于是我们 在这种状态下重新进行方波占空比与输出电压关系的测定，情况得到一定程度改善。5.电压测量子系统的硬件设计5.1主要功能对DC-DC的输出电压进行采样，采样得到的电压进行处理后再通过

29、代码，进而可以将 DC-DC输出电压的信息反馈给单片机。A/D转换就能得到二进制5.2设计原理及方案整个子系统主要由信号变换与隔离模块、A/D转换模块组成，另有为这两个模块提供基准电压的基准电压模块，各个模块间的连接见图X。单片机卜玉捧(IUTL431为核心莽粕8位編码C培淮电压C -g(Vo)v0关键器集关健器件;ADC03044N25图5-1电压测量子系统各模块的连接示意图I2】5.2.1基准电压模块的设计原理与方案5.2.1.1设计原理用以TL431为核心元件的基准电源电路，可以将不很稳定的5V电源转变成稳定的基准电压。得到的基准电压提供给信号变换及隔离模块和A/D转换模块中必须使用稳定

30、电压的部分，可以保证它们的正常工作不因电压不稳定而受到影响。5.2.1.2设计方案5.2.1.2.1主要元件基准电源电路的核心元件是TL431，其管脚分布见图5-2。1Pin 1 Reference2 Anode3. CathodeReference2 DGhlD图5-5 ADC0804的管脚i： CS片选信号2: RD 读信号3: WR写信号4: CLK IN时钟输入端5: INTR 中断输出端6: Vin (+)模拟信号正输入端7: VIN (-)模拟信号负输入端8: AGND模拟地9: Vref/2 基准电压输入端10: DGND数字地1118: DB0DB7数据输出端19: CLKR时

31、钟输出端20: V+工作电源523.2.2电路实现图5-6X给出了 ADC0804与单片机的连接示意图，本模块即是在该连接图的基础上补全外围电 路实现的。其中Vcc接工作电压5V，AGND和DGND分别是模拟地和数字地。本芯片所需要的时钟脉冲 可以由外界提供，也可以由芯片本身产生。当由外界提供时，可用CPU的时钟脉冲经分频后接至CLKIN端，当由芯片本身产生时，需外接电阻和电容，产生的脉冲频率f=1/1.1RC。ADC0804通过总线方式与单片机微控制器相连，当CS端为低电平时，向 WR脚发出一个负脉冲，启动芯片进行模数转换，完成转换后INTR脚变为低电平，再通过向 RD端发一个负脉冲读取转换

32、好的编码。下面对ADC0804的外围电路分“ A ”、“ D”两侧进行介绍。+ANYPROCESSORCSV v+RDCLKRWRCLK ININTRdb7D日6db5db4V|hl (+)db3V|N()db2AGNDDB1vREFydbqDGND117+5V ISQpF19r 8-BIT RESOLUTION OVER ANY DESIRED ANALOG INPUT L VOLTAGE RANGE -L-oVref/2 LZ7I77DIFFINPUTS图5-6 ADC0804与单片机的连接及外围电路示意图7ADC0804的“A”侧电路设计【2系统中ADC0804该部分电路要达到的目的是：

33、若设VA【VAmin , VAmax ，则应有VIN ( - ) - VAmin 且(VAmax- VIN ( - ) / Vref - 1。这样做的目的是为了既能最大限度地利用编程空间同时又保证A/D转换得到的二进制代码处于正常范围之内。2ADC0804的“ D”侧电路设计系统中ADC0804的D侧的应用电路图如图 5-8所示。单片机小系统ADC0804IDC26 扩展 FIP4IDC10 扩展 I3P*!图5-8 ADC0804的“ D ”侧的应用电路图 ADC0804通过总线方式与单片机微控制器相连，当CS端为低电平时，向 WR脚发出一个负脉冲，启动芯片进行模数转换，完成转换后INTR脚

34、变为低电平，再通过向 RD端发一个负脉冲读取转换好的编码。本次实验中没有使用INTR脚的低电平作为读入 AD转换数值的信号。而是在单片机向ADC0804发出片选信号一定时间后直接读取转换好的数据，以达到节省数据口的使用，简化 电路的目的。523.2.3元件参数选择R3=30k QR4=39k QR5=15k QR6=200 Q+250 Q =450 Q图5-7中，设基准电压为Vyf 。由于测 量结果VA的变化范围是2.340V -3.538V 。取VIN ( )2.2V。由 VIN ()畀 V得 R3 侖 11 018。取 R3=30kQ, R4=39k Q。我们选取 R5=15k Q, R6

35、=200 Q +250 Q =450 Q。这样测得 ADC0804 VREF/2 管脚电压约为 0.7V。我们编写读取 AD转换数值的小程序，把数值显示在单片机小系统的数码管上。发现图5-4中Vo从E6 H单调减少到OFH。 AD5V单调增加到10V时，AD转换得到的二进制代码相应的十六进制数从转换覆盖的代码范围很大。Vo每变化0.1V，十六进制代码变化约为4H。5-6中的参数选取，则可计算此外，芯片所需要的脉冲信号由外界提供，电阻的电容均是按图得到脉冲信号的频率为1.7RC13-1.1 10 10150 1012 Hz60.6kHz 。6.单片机子系统及软件设计7.升压型DC-DC开关电源的

36、硬件设计7.1主要功能将输入的不是很稳定的直流电压转换成稳定的直流电压输出，将输入的较低的直流电压转换成 较高的直流电压输出。7.2系统设计指标输入直流电压:9V14V输出直流电压:15V20V额定输出电流:0.2A限流值：0.22A电压调整率：0.5 %电流调整率：1%输出电压纹波:300mVp-p效率：65%7.3设计原理【9L“ +1ro= 15-20- +1F1FCl.C4产a5In r1R10-Vinj1-Wj图7-1升压型DC-DC的电路拓扑形式如图7-1所示，在开关三极管 T1导通期间，为储能电感L充电；当开关三极管 T1转为截止期间，储能电感 L将感生出图示中正方向的电动势，该

37、电动势与输入电压Vin极性相同，叠加后的输出电压Vo将比Vin大。所以，可以实现升压输出的效果。当T1处于导通期间，负载 RL上的电流必须依靠电容 C4、C5来供给。电容的储能有限，持续供给时间不能太长。所以,T1的开关频率不能过低（周期不能过长），（导通）占空比不能太大。7.4设计方案7.4.1主要元件本部分的核心元件为 TL431，其内部介绍及管脚定义如图7-2。1IN+ 1162IN1-1IN-21512INFEEDBACK 314REFDTC f413OUTPUT CTRLCT512VccRT611C2GND 710E289图7-2 TL494芯片管脚41:1IN+第一个运放的冋相输入

38、端2 :1IN-第一个运放的反相输入端3:FEEDBACK运放反馈端4:DTC死区控制5:CT内部振荡器电容端6:RT内部振荡器电阻端7:GND接地8:C1第一个三极管的集电极9:E1第一个二极管的发射极10:E2第二个三极管的发射极11:C2第二个三极管的集电极12:Vcc工作电源输入13:OUTPUT CTRL输出控制14:REF基准电压输出端15:2IN-第二个运放的同相输入端16:2IN+第二个运放的反相输入端7.4.2电路设计如图7-3。图7-3升压型DC-DC电路图97.4.3元件参数选择R1=470 QR2=100 QR3=51k QR4=1M QR5=10k QR6=5.1k

39、QR7=12k QR8=10k QR9=150 QR10=0.1 QR11= 3.9k QR12=022k QR13=1k QR14=0100k QRL=100 QR15=0.1 QC1=470 卩 FC2=0.1 卩 FC3=0.001 卩 FC4=470 卩 FC5=100 卩 FL=1.2 卩 HR1和R2给开关三极管提供合适的工作点,R1=300 Q, R2=100 Q开关三极管能正常工作。C3和 R7决定开关频率，选取 R3=820 Q ，C3=0.011316 Hz=83R3 C3 12 103 0.001 10 6103Hz。R4与R5决定误差放大器的增益 G,取R4=1M Q

40、R5=5.1K Q,R5和 R8共同决定 TL494 芯片1号管脚的电压R8R5 R8R6 , R9V1R4R51M10k100。R8=R5=10K Q5V=2.5V。,R10 用于 限流。选取 R6=5.1K Q ,R9=150Q ,使15号管脚5V=0.143V。R6 R98. 致谢首先感谢袁焱老师，他的讲课和参考资料给我们小组的设计工作带来理论上的指 导，帮助我们理清设计思路。然后要感谢实验室中的谷晓晨、黄少军、诸勤敏三位老 师给与的现场指导，使我们在实验中遇到问题时得到及时的解决。最后还要感谢盛 杰，李凯等同学，他们曾和我们小组讨论设计方法，分享设计经验。这次科创的顺利 完成离不开老师

41、的指导，同学的帮助。再次对他们表示由衷的感谢。9. 参考文献1 上海交通大学电子工程系，科技创新5课程任务要求，20072 上海交通大学电子工程系，科技创新5系列讲座，20073 电子线路 非线性部分（第四版），谢嘉奎，20024 TL494 Datasheet， Texas Instrument， 19955 TL431 Datasheet, Motorola, 1999 4n25 Datasheet, Vishay Telefu nke n, 19997 ADC0804 Datasheet, i ntersil, 19978 hef4011bp Datasheet, Philips, 19

42、9520079 上海交通大学电子工程系，升压DC-DC资料，200710 上海交通大学电子工程系，科技创新5设计作品 测试方法和评分方法,10.附录A开发环境10.1硬件开发中策直流电源 DF1731SB3A，电源引线Tektronix泰克示波器TDS系列，示波器探头Victor胜利万用表VC97电烙铁、斜口钳、尖嘴钳、螺丝刀、剪刀、镊子、吸焊器10.2软件开发11附录B软件程序清单建议采用小字体和小行距，高密度排版，以节约纸张12.附录C系统操作说明书本部分要准备让专业知识不很精通的一般操作人员看，最好图文并茂，直观易懂13.附录D测试和分析13.1测试项目和方法10 13.1.1 DC-D

43、C降压型开关电源部分表13-1 DC-DC模块测试方法和条件项目测试方法或条件输出电压可调范围最低输出5.0V ;最高输出10.0V输入 30.0V 0.1V人工调整相应电位器输岀纹波小于100mV输入 30.0V 0.1V ;输出 10.0V 0.1V; TDS 系列60MHz带宽示波器，探头 X10, Y 向 20 或 50mV 档效率大于65%输入 30.0V 0.1V ;输出10.0V 0.1V ;测量输入电压、 输入电流、输出电压，负载以10计。电压调整率小于1%输出 10.0V 0.1V ;输入20. 0V 0.1V 至U 30.0V 0.1V;13.1.2开环控制部分表13-2开

44、环控制模块测试方法和条件项目测试方法或条件输岀电压控制精度（10分）设点电压 A10.05V断开电压测量回路； 输入 30.0V 0.1V ;开始测试前可给予10分钟准备；开始测试时，任意指定3个电压分别作为设点电压设点电压 B10.05V设点电压 CW0.05V13.1.3闭环控制部分表13-3闭环控制测试记录项目测试条件输岀电压控制绝对精度（10分）设点电压 A10.05V接入电压测量回路；输入 30.0V 0.1V;开始测试前可给予10分钟 准备；开始测试时，任意指定3个电压分别作为设点电压；记录实际输岀的 3个电压 值。调偏R14，重做指定电压 的测试；调偏后系统控制应在 30秒 内达

45、到稳定供测量。设点电压 B10.05V设点电压C10.05V输岀电压自动调整的精度（10分）设点电压A 0.05V设点电压B 0.05V设点电压C 0.05V13.2测试的资源13.2.1测试设备与仪表中策直流电源 DF1731SB3A，电源引线Tektronix泰克示波器TDS系列，示波器探头Victor胜利万用表VC9713.2.2测试环境空调实验室13.3测试结果及分析13.3.1 DC-DC部分的测试结果表13-4 DC-DC模块独立测试记录项目记录输出电压可调范围最低输出5.0V4.42V最高输出10.0V10.38V输岀纹波小于等于100mV60mV电压调整率小于0.5%0.10%

46、效率大于等于65%66%13.3.2开环控制功能测试结果表13-5开环控制测试记录项目记录输出 电压控制 精度电压 A : 5.00V4.97V电压 B : 7.60V7.56V电压 C : 10.00V9.98V-9.99V13.3.3闭环控制功能测试结果表13-6闭环控制测试记录项目记录输岀电压控制绝对精度电压 A1 : 5.00V4.93V-4.95V电压 B1 : 7.60V7.61V电压 C1 : 10.0V10.00V输岀电压控制相对精度电压 A2 : 电压5.00V 0.05V4.93V电压 B2 : 电压7.60V 0.05V7.60V电压 C2 : 电压10.00V 0.05

47、V10.00V13.3.4升压型DC-DC部分的测试结果输入电压为14V，人工调节电位器，输出电压变化范围是13.6V-26.1V。输入电压为14V，人工调节电位器至输出电压为17.8V。将输入电压调整为 9V，输出电压变为17 816 116.1V。电压调整率为100% 9.55%。17.8输入电压为14V，人工调节电位器至输出电压为17.9V。纹波峰峰值为 20.8mV ,直流电源电17.92流 0.25A，效率 100100%91.5%。14 0.2513.3.5测试结果分析首先对DC-DC模块的测试结果进行分析，所有性能指标都符合这次科创的要求，纹波较小,效率偏低，还有很大的改进空间。但是，纹波的控制与效率的提升之间存在不可兼得的矛盾。限于我们的学识与经验再对开环控制的测试结果进行分析，前面部分中已经提到，输出电压存在漂移，在进行最终检测之前，我们又对开环控制的占空比进行最后一次的校准，在一定程度上控制了温漂。闭环控制的测试结果不够令人满意。相对开环来说，闭环因为反馈应该更加准