《恒压源电设报告》word版.doc

数控直流恒压源 By 杨辉辉 陈侠达 傅杰摘要本作品采用ST公司的stm32f103rct6开发板为系统 处理器，设计并制作的数控直流恒压源，用来稳定输出恒定电压。整个电路由主控处理器、辅助电源、主电路电源组成。电参数的测量由片上AD采样通过处理器滤波完成。整个系统结构清晰，经测试基本完成题目所要求的各项指标。 关键词： 恒压源 电压采样一：系统方案1. 方案的论证与比较1) 主电路拓补的选择 方案一：采用buck变换器。通过PWM驱动外置mos管，控制其导通时间达到降压目的。这是一种降压斩波电路，效率高，电路结构和参数设计简单。 方案二：采用同步型降压转换芯片。这类芯片采用同步整流的方式，效率高达90%，只需配置较少的外围电路参数，设计较为简单。 综上，由于题目只要求电流达到1A，并且1.2A保护，所以不必用外置mos管(大才小用)。故而选择buck型降压芯片。查找TI的电源芯片知:TPS54335是一款同步降压开关转换器，效率可高达95%，开关频率50K到1.5M可调，通过控制其自身的使能端可进行芯片的保护，故采用方案二。2) 辅助电源的选择 方案一：采用多路输出的反激式直流变换电路获得+5V的辅助电源。此种形式的辅助电源抗扰动能力强，且带隔离功能，但是效率较低。 方案二：利用LM2596系列开关集成稳压芯片产生稳定的+5V电压为系统中的芯片可靠供电。此方案输出的电压纹波较小，且效率极高。 综上，为提高系统效率，简化电路设计，且题目中没有要求隔离，因此本设计选用方案二。3) 控制系统的选择 方案一：采用STM32F103处理器。STM32系列是为要求高性能，低成本，低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。运行速度快，具有丰富的IO口，并且内置3个12位A/D转换器，2个12位D/A转换器。 方案二：采用MSP430单片机。其CPU实高效的16位RISC体系结构，处理速度快，拥有内置A/D，可选择低功耗模式。 综上，鉴于STM32F103系列单片机功耗更低，运算速度更快，且本设计需要用到较多的IO口资源，故而选择方案二。4） 闭环控制方案的选择 方案一：通过运放构建的PID调节器来实现输出电压的稳定。这种方案的缺点是控制系统的性能取决于外围电路元件参数的选择,如果PID调节器的参数选择不当，择输出电压难以维持稳定。而且，模拟电路难免受到一定程度的干扰，从而影响系统运行的稳定性。 方案二：采用单片机控制的数字PID控制算法，通过单片机系统控制实现输出电压的稳定。数字PID的控制算法易于实现，参数的选取与修改方便。与模拟控制算法相比，数字控制方法灵活性高、可靠性好，抗干扰能力强，同时节省了系统的开发成本、缩短开发周期。 综上，软件调节更准确，故选方案二。二：电路设计与理论分析1：DC/DC主拓补电路设定开关频率为300K，故取R2=160K，由于datasheet 要求VIN必须通过一个低ESR的旁路电容来与地线隔开，故输入引脚并联多个电容器来降低ESR值。由Vin=25V，Vout=2V, Imax=1.5(1.2A保护，故取最大输出电流大于1.2A)，f=300K取K=0.1，故 占空比：D1=Vout/Vin100%=8%，D2=1-D1=92% 周期： T=1/f=3.3310-6s 电感值：L=(VoutTD2)/(2kImax)=20uh必须使电感工作在电流连续状态，否则闭环稳压时易振荡，并需留有一定的裕量，故电感值取25uh，在实际设计中需自行调整。降压式开关电源中电容C提供泄放通路，取值要足够大，取C=1000uf，为了减少输出电容的ESR值，采用多个小电容并联，以提高滤波效果。对芯片的COMP引脚设计补偿电路，通过引入一个额外的高频极点来降低高频噪声，确定交叉频率为1/10f=30K，由datasheet可计算得R4=200k,C19+C20=1.1nf,C8+C9=11pf。2：输出一阶LC滤波电路 由于开关电源输出纹波较难减小，故而增加一阶LC滤波电路来有效的降低纹波，在实际测量中发现纹波频率为1.5K左右，故取LC滤波电路的截止频率为1.5K。 fc=1/(23.14LC)取L=47uh,算得C=300uf，取C17=10nf。在最初制作电路板时LC滤波电路可先不焊接，等观测到实际纹波情况时在灵活得选择LC参数。3：电流检测电路采用高边电流采样。由于高边电流采样要求放大器必须具备大动态输入范围以及高共模抑制比，故采用TI专用的高边电流采样芯片INA282，将串联在正极的采样电阻R11两端的电压转化为单端电压，供控制电路使用。INA282的增益为50，故反馈电压为： V=50R11Io考虑到STM32单片机的ADC采样范围为03.3V，故取R11=0.05R，满载时功耗为50mw，损耗很小。4：电压反馈环路输出电压检测电路采用电阻分压方式，分压比为1:5，通过一个电压更随器与单片机的ADC进行阻抗匹配，后级采用巴特沃斯二阶低通滤波器以衰减高频噪声，截止频率设为1Khz: Fc=1/(23.14R13R14C22C24)这样的设计不仅可以使ADC采样保持在一种稳定的状态，保证可靠地显示，还可以提供给后级的比较电路一个稳定的反馈电压。用LM358运放作比较器，构成误差放大器，当AD1DAC时，电容C25充电，使VSENSE电压逐渐降低，直至AD1=DAC，当ADCDAC时，C25放电，将VSENSE电压拉高，C25电容的大小影响积分电路响应的快慢。为使环路处于深度负反馈状态，故在C25上并联一个电阻R17，使误差放大倍数为10，也给积分电路提供一个直流通路。反馈环路对内部和外部的干扰由很强的抑制能力，必须正确得设计。5：过流保护电流I在采样电阻上产生的电压经过INA282放大50倍后由AD采集，如果超出1.2A则由单片机控制引脚低电平输出失能EN脚。6：DAC电路7：辅助电源电路辅助电源采用LM2596开关电源输出+5V，效率高，纹波小。8：程序流程图系统软件Altium Designer : PCB制版软件KeiluVision: 单片机编写程序工具TI SwitcherPro 参数设计参考软件三：测试方案与测量结果测量仪器仪器型号指标数量滑动变阻器1双踪示波器TDS1002B60M1数字万用表CDM8045A四位半1电源MPS3005L035V1指针式交流毫伏表WY2174A0.3mV300V2测试方案与测量结果输入电压25V输出预设电压值234567891011实际显示电压值实测输出电压值误差/%测试结果分析不同时间的测量电压数值都不同，经分析我组发现采样回来的电压不同时间数值有很大变化，导致了多次的测量准确度不同。还有系统的纹波大会直接影响AD的采样精度，必须加上软件滤波。仍有很大的提升空间。四：电路调试总结 布线可以说是制作开关电源最难的地方之一，一个好的布线可以减少许多的干扰和降低输出电压的纹波。在这次制作中，布线完全是基于TI官方推荐的PCB布局，因而电路的前期制作还是比较良好的。制作好电路板，首先用电源模拟DAC，检测输出电压，果然发现输出可调，这就证明比较那部分设计正确。接下来测量输出纹波，在不带载的时候测得纹波只有几十毫伏，但这不能说明什么，然后接上大滑变，这样问题就来了，输出能力不够，电流稍微一大就掉载了，而且，电感还在啸叫，电流一过一定值，纹波飙升。这让我组很困惑，芯片的输出能力绝对是够的，那么只能是参数设计或PCB布局不当，既然电感饱和，那就是电感值取太大了(刚开始我电感接的是47uh)。于是调低电感值，最初调到了30uh,结果依然不行，继续改小到25uh，并换用了更高效的磁环，发现其带载能力增强了，效率也提高了。调代码的过程比较艰辛，特别是那段控制代码，多次改变PID参数，发现电压总是不能平稳，经过多次尝试，终于把握了PID各个参数的实际意义。在调试过程中还发现了一个问题，那就是比较器的输出接到芯片使能端时，如果我分压电阻取到欧姆级的，那么一接上使能端那么5V电压立马就变为0，尝试了几次，最后确定分压电阻为120K和47K，而且接上过流保护后BUCK芯片的输出能力就下降了，询问学长后，得知这是由于比较器输出能力