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 5 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ABSTRACTTh

2、is document is the design report of a DC-DC switching power supply system controlled by microcontroller. The whole system, which consists of a DC-DC switching power supply subsystem, a microcontroller subsystem, a voltage control subsystem and a voltage sampling system, accomplishes open loop and cl

3、ose 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 instructions, etc.KEYWORDSswitching power supply; PWM; microcontroller; analog-digital conversion上海交

4、通大学电子信息与电气工程学院地址：东川路 800 号邮编： 200240目录1. 概述 .11.1编写说明 .11.2名词定义 .11.3缩略语 .12. 系统总述 .22.1系统组成 .22.1.1 DC-DC开关电源子系统 .22.1.2电压检测子系统 .22.1.3单片机子系统 .22.1.4电压控制子系统 .22.2系统的主要功能 .33. DC-DC 开关电源子系统的硬件设计 .43.1主要功能 .43.2系统设计指标 1 .43.3设计原理 3 .43.4设计方案 .53.4.1主要元件 .53.4.2电路设计 .63.4.3元件参数选择 .73.5纹波的控制 .84. 电压控制子

5、系统的硬件设计 .94.1主要功能 .94.2设计原理与方案 .94.2.1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 .15第1页上海交通大学电子信息与电气工程学院5. 电压测量子系统的硬件设计165.1 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

6、能257.2 系统设计指标 1257.3 设计原理 9257.4 设计方案267.4.1 主要元件267.4.2 电路设计277.4.3 元件参数选择278. 致谢299. 参考文献3010. 附录 A开发环境3110.1 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 103413.1.1 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35第2页上海交通大学电子信息与电气工程学院13.2.

7、2 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3613.3.3 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38第3页上海交通大学电子信息与电气工程学院1. 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

8、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。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 current直流A

9、D analog-digital模拟 -数字PWM pulse width modulation脉冲宽度调制信号LPF low pass filter 低通滤波器第1页上海交通大学电子信息与电气工程学院2. 系统总述2.1 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。20-30V5-10V可调/1ADC 输出DC 输入变换 耦合A-DDC-DC电压检测子系统开关电源单片机子系统子系统变换耦合LPF整形电压控制子系统图 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

10、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AD 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

11、 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。第2页上海交通大学电子信息与电气工程学院2.2 系统的主要功能本系统的主要功能是根据使用者的要求，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。第3页上海交通大学电子信息与电气工程学院3. DC-DC 开关电源子系统的硬件设计3.1 主要功能将输

12、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， R1 ， R2 为取样网络，取样电压VS 和基传电源提供的电压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v ，接到电压比较器的

13、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ton ；当 v v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R1R2tonVIVOVREFR2tontoff若某原因使 Vo 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 Vo 升高，达到稳压的目的。反之亦然。第4页上海交通大学电子信息与电气工程学院图 3-1 DC-DC 开关电源原理图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3-2。

14、该芯片内部有两个误差比较器，可分别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。图 3-2TL494 内部结构示意图4芯片的管脚如图3-3 。第5页上海交通大学电子信息与电气工程学院图 3-3 TL494 芯片管脚 41：1IN+ 第一个运放的同相输入端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第一个三极管的发射极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

15、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。第6页上海交通大学电子信息与电气工程学院图 3-4 DC-DC 开关电源子系统电路图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、 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

16、-10V之间。3.4.3 元件参数选择R1=300 R2=100 R3=51K R4=1M R5=5.1K R6=8.2K R7=830 R8=5.1K R9=240 R10=0.1 R11= 5.1K / 20K =4.06K R12=020 K R13=5.1K 第7页上海交通大学电子信息与电气工程学院R14=0100 RL=10 R15=0.1 C1=470 FC3=0.01 FC4=470 FC5=100 F +470 F =570 FL=0.7 HR1和 R2 给开关三极管提供合适的工作点，R1=300 ， R2=100 开关三极管能正常工作。C3和R7 决定开关频率，选取 R3=8

17、20，C3=0.01 F ， 振 荡 频 率f116 Hz=122 103 Hz 。R3C 3820 0.01 10R4与 R5 决定误差放大器的增益R41MG，取 R4=1M R5=5.1K ， G196 。R55.1kR5和 R8 共同决定TL494芯 片1 号管脚的电压V1，取R8=R5=5.1K ， 则V1R85V=2.5V 。R8R5R6， R9，R10 用于限流。选取R6=8.2K ，R9=240，使 15 号管脚电压V15R95V=0.142V。R6R93.5 纹波的控制一开始我们选取峰峰值的两倍，后来将R1=180， R2=51，发现输出电压中毛刺过大，毛刺的峰峰值甚至是三角波

18、R1 和 R2 的值增大到原来的两倍，取R1=300， R2=100，毛刺几乎完全消除。我们绕制的电感实测值有0.7H ，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 F，输入电压 30V ，输出电压10V时，纹波峰峰值为116mV ，当C5=100 F+470 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。第8页上海交通大学电子信息与电气工程学院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

19、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4-1。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

20、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。图 4-2 整形电路结构图2第9页上海交通大学电子信息与电气工程学院在整形电路中，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 主要元件本次科创采用 TL431 作为基准电源电路的核心元件。其管脚分布及符号表示如图4-3。图 4-3 TL431 的实际管脚分布以及符号表示51：Reference 基准电压输出极2：Anode阳极3：Cath

21、ode 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。图 4-4 基准电源电路54.2.1.2.3 元件参数选择第10页上海交通大学电子信息与电气工程学院在基准电路中，Input 为不恒定的5V 电源，而 VKA 的要求为 4V 。由于 Vref2.5V ， I ref 很小，可忽略，所以 R1VKA1410.6 。选取 R1=6k ， R2=10k 。R2Vref2.54.2.2 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

22、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* 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结构低通滤波器，电路图如图4-5 所示。图 4-5 单位增益SALLEN-KEY结构低通滤波器示意图2在复频域中U o (s)U p (s)U n (s) ，1U p (s)C1sU M ( s) ，R21C1 sU i ( s

23、) U M (s)U M (s) U p (s)U M (s) U n (s)R1R2，1C2 s由以上三式可得第11页上海交通大学电子信息与电气工程学院U o ( s)1U i ( s) R1R2C1C2 s2，( R1 R2 )C1s 1在频域中U o ( jw )1，U i ( jw )R1R2C1C2 w2( R1 R2 )C1 jw 1可视其为一个二阶低通滤波器，其截止频率为f c1。 U i 是占空比为 且以 VH2 R1R2 C1C2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Vctl 是幅值为VH 的直流电压信号。4.2.2.2.2 元件参数选择R1=82k R2

24、=82k C1=0.1 FC2=0.1 Ff c1计算可知，设计的低通滤波器的截止频率为19.42Hz 。因为频率很小，2R1R2 C1C2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 V

25、T 产生集电极电流。由于本系统使用的是非线性光耦，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。第12页上海交通大学电子信息与电气工程学院图 4-6 光耦示意图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。图 4-7 4N25 的管脚分布图61: 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4.2.3.2.2 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

26、关电源子系统的一部分。第13页上海交通大学电子信息与电气工程学院图 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。4.2.3.2.3 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

27、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，是反复多次调试的结果。实验中发现，当Rctl的取值大于2k 时， 20%-80%的占空比不能完全覆盖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，则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

28、两端向右视入的等效电阻。经过反复尝试，我们第14页上海交通大学电子信息与电气工程学院将 Rctl 定为 1.48k ， R11 定为 5.1K / 20K =4.06K ，使得 28%-52% 的占空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

29、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

30、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。第15页上海交通大学电子信息与电气工程学院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A/D转换就能得到二进制代码，进而可以将DC-DC输出电压的信息反馈给单片机。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 。图 5-1 电压测量子系统各模块的连接示意图25.2.1 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

31、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。第16页上海交通大学电子信息与电气工程学院图 5-2 TL431 的实际管脚分布以及符号表示51：Reference 基准电压输出极2：Anode阳极3：Cathode 阴极5.2.1.2.2 电路实现图 5-2 是以 TL431 为核心器件的基准电源电路的电路图。图 5-3 基准电源电

32、路55.2.1.2.3 元件参数选择在基准电路中，Input 为不恒定的5V 电源，而 VKA 的要求为 4V 。由于 Vref2.5V ， I ref 很小，可忽略，所以 R1VKA1410.6 。选取 R1=6k ， R2=10k 。R2Vref2.55.2.2 信号变换与隔离模块的设计原理与方案5.2.2.1设计原理利用光电耦合器，可以实现DC-DC 输出电压与A/D 转换电路的物理隔断。而由光电耦合器的输入输出特性，DC-DC 输出电压与此部分的输出之间存在一一对应关系。第17页上海交通大学电子信息与电气工程学院5.2.2.2设计方案5.2.2.2.1 主要元件此模块的核心元件为4N25。其管脚分布见图5-3。图 5-3 4N25 的管脚分布图61: ANDOE 阳极2: CAT