数控直流电源.doc

成都理工大学第9届高等电子设计大赛报告数控直流电源设计（A题） 成员：陈小波、郑文、干娜20摘要本设计是基于SG3525脉宽调制芯片的数控直流稳压电源。整个系统由BUCK同步整流电路、STM32控制显示电路、电压电流测量电路、SG3525脉宽调制电路。由STM32 DA输出参考电压，同时电路中采用反馈方式将电压会电流反馈回SG3525负反馈端，从而实现电压或电流控制。整个系统实现2到10V数控输出，步进为0.1V。电流升至2A系统依旧稳定。同时效率高达85%以上。纹波小于10mV。同时电路具有软启动和过流保护。该系统具有设计成本低、电路简单、输出电压可调范围宽、电压变换效率高等特点，同时增加了过流保护和软启动功能，还有稳压输出与恒流输出两种输出形式。关键字：BUCK同步整流、数控直流、SG3525。目录一、设计任务及要求5二、系统方案论证62.1系统框架62.2 DC-DC降压模块的论证与选择72.3 PWM控制器选择72.4驱动电路的设计方案与选择82.5电流测试电路82.6单片机选择9三、BUCK同步整流电路理论分析与计算9四、控制电路与程序设计124.1 脉宽调制芯片124.2驱动电路154.3 电压电流采集电路164.3.1电压采集电路164.4 控制模块174.4.1单片机174.4.2 AD/DA184.4.3按键184.4.4显示194.4.5数据储存19五、系统调试与分析195.1 硬件电路整体电路图195.2系统调试与分析20六、总结20一、设计任务及要求设计一个数控可调电源。结构框图如图1所示：图1 数控可调电源结构框图基本要求：l 输出电压：范围0+9.9V，步进0.1V，纹波不大于20mV。l 输出电压显示。l 由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减。l 输出电流：500mV。提高要求：l 输出电压可预置在0-9.9V之间任意值l 用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）。l 开关电源要求转换效率80%。二、系统方案论证2.1系统框架本系统由控制模块、DC/DC降压模块、辅助电源模块、显示模块、D/A转换模块、电流电压测量模块、过流保护模块组成。系统框图如图2所示。采样电路12V输入DC-DC 电流采样电压采样驱动电路反馈SG3525 双ADCDAC 键盘输入STM32TF液晶屏显示 图2系统框图2.2 DC-DC降压模块的论证与选择方案一：反激变换器，该拓扑通过改变PWM的占空比，既可以实现升压，也可以实现降压，拓扑本身能防止电流倒灌，而且结构比较简单，成本也稍低。由于此电路在小功率情况下工作时，变压器的漏感和肖特基二极管的损耗相对较小，所以效率也比较高，但是在频率很高时回路中的电流连续，容易使磁芯内磁通所在周期的重复逐次增加，导致磁芯的饱和。方案二：图3所示为BUCK变换器基本结构图。它由一个开关管（SWITCH MOSFET），一个同步整流管（RECTIFIER MOSFET）以及LC低通滤波网络和负载RL组成。这是一种同步整流结构，即整流管采用由控制电路控制的功率MOSFET替代外部整流二极管，同步整流结构可以节约变换器成本和面积，提高转换器效率。图3 BUCK变换器结构图方案比较：方案一技术成熟，但由于电路结构上的原因，很难调试。方案三结构简单，调试方便，电路转换效率高。所以采用方案三。2.3 PWM控制器选择方案一：利用单片机产生的PWM，占空比的由定时器决定，产生PWM方便，节约成本。缺点是，占空比与电路中的电流电压关系不好控制，同时也会降低CPU的速度，这样就降低了按键与液晶屏的反应速度。方案二：SG3525芯片内部的可微调振荡器（能精确控制占空比）、温度补偿参考、高增益误差放大器、电流取样比较器。其低启动的电流，带滞后的欠压锁定，工作频率高，输出电流大，是理想PWM控制器件，同时SG3525具有一定驱动MOS管的能力。综合考虑，选择方案二。直流测量方案比较2.4驱动电路的设计方案与选择方案一：工作频率在20KHZ以上的开关电源，功率开关器件主要使用三极管(BJT)、场效应管（MOSFET）。但是由于BJT是电流控制器件，需要直流电流驱动，驱动电路复杂。开关损耗大，对温度变化十分敏感。而且工作时较MOSFET开关管的噪声更大。方案二:采用专用驱动芯片IR2104对MOS管进行驱动。IR2104驱动器兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种之一。综合考虑选择方案二。2.5电流测试电路方案一：电流传感器法（1）电力技术中常用互感线圈做电流传感器，但只能测交流电流。（2）霍尔电流传感器在电流检测中的应用越来越多，特别在小电流测量场合。这种传感器的核心部件是霍尔器件，通过电磁电检进行检测，其内部自动磁补偿和温度补偿，具有高灵敏度和优良的线性度。这种传感器可以测量交流或直流电流，但必须双电源供电。方案二：专用电流检测芯片（1）利用采用电阻和电流检测运放芯片，把电流转换为与之成正比的电压，再结合ADC采样。这时需要根据被测电流的范围，ADC的精度等来确定取样电阻的阻值。为减少取样电阻串联的影响，一般要串接比较小而且精度高的电阻。（2）自带内部取样电阻的电流检测运放芯片，相比使用采样电阻，该方法的电路更加简单。此类芯片最突出的优点是不需要额外的供电电源。综上所述：直流测量使用方案二中的第二个方法可以达到题目要求，因此采用。2.6单片机选择方案一：51单片机，控制简单，编程方便，便于调试，缺点是速度慢，内存小，本次设计用到的A/D、D/A转化需要外接芯片。方案二：STM32，编程控制相对复杂一些，但速度比51单片机快很多，而且自带18个通道的ADC，两通道的DAC，分辨率高达12位，精度高。且速度快，内存大，由于不需要再外接A/D、D/A的芯片，节约了成本。综合以上原因，选择方案二。三、BUCK同步整流电路理论分析与计算根据BUCK变换器中流经电感L的电流在每个周期是否降为零，可以将其工作模式区分为以下两种：（1）连续导通模式（Continuous-Conduction Mode, CCM），（2）不连续导通模式（Discontinuous-Conduction Mode, DCM）。当流过电感的电流不会降为零时，定义变换器工作于连续导通模式；而当其电感电流将会降为零时，定义变换器工作于不连续导通模式，因为此时流经电感的电流不连续。 下面对BUCK变换器稳态特性进行简单的分析，上节中的假设在此仍然成立。假设变换器工作在连续导通模式，则在每个周期内流经电感的电流不会降为零，在一个开关周期，开关管经历导通和关断两个状态。设功率管开关周期为T，导通时间和关断时间分别为、, 为导通时间占空比。（1）功率开关管导通状态（）图4变换器开关管导通时等效电路图根据同步整流原理，开关管导通时，调整管关断。由上面所做的假设条件可知，电源电压VIN直接加在电感L的一端，而调整管所在的支路断开，等效电路如图5所示。电感左右两端的电位分别为VIN和VO，电感电流线性上升。则有 （2-1） 故在开关管导通状态，电感电流增加为 （2-2）（2）功率开关管截至状态（）图5变换器开关管截至时等效电路图当时，开关管关断，整流管导通，等效电路如图2.3所示。因为电感电流不能突变，所以电感两端的电压反向且保持恒定，在下一个周期开关管重新导通之前电感电流线性下降。电感把储存的能量提供给负载。则在开关管关断状态，电感电流减量为 （2-3）在一个开关周期内，电感电流的增量和减量必须相等，否则电感上会出现直流压降，而电感的直流阻抗为很小，这会在电感上产生很大的电流，烧毁电感。即 （2-4） （2-5）上式中代入和的表达式得到和的关系式为 （2-6）由此可知，通过调整占空比，可以调整输出电压。在整个开关周期内，电感都传递能量给滤波电容和负载，而滤波电容每个周期的平均电流为零，其能量的变化量为零。故输出负载电流等于电感的平均电流，即 （2-7）BUCK变换器工作在CCM时的波形图如图2.4所示。 图6变换器工作在CCM时的波形图四、控制电路与程序设计4.1 脉宽调制芯片作为SG3524的改进型，SG3525更适合于运用MOS管作为开关器件的DC/DC变换器，它是采用双极型工艺制作的新型模拟磁史字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。SG3524引脚图如图6所示：图7 SG3525引脚图引脚介绍：(1)反相输入端(引脚1):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载而定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件组合该误差放大器的共模输入电压范围为1.55.2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。 (2)同相输入端(引脚2):此端通常接到基准电压引脚16的分压电阻上，取得2.5V的基准比较电压与引脚1的取样电压相比较。 (3)同步端(引脚3):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的振荡频率，可以分别与它们的引脚4相副脚3相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步;也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。 (4)同步输出端(引脚4):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比振荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时，引脚3相副脚4悬空。引脚4的输出频率为输出脉冲频率的2倍。输出锯齿波的电压范围为0.63.5V。 (5)振荡电容端(引脚5):振荡电容一端接至引脚5，另一端直接接至地端。其取值范围为0.0010.1pF。正常工作时，在研两端可以得到一个从0.63.5V变化的锯齿波。 (6)振荡电阻端(引脚6):振荡电阻一端接至引脚6，另一端直接接至地端。RT的阻值决定了内部恒流值对研充电。其取值范围为215Okn。RT和研越大，充电时间越长;反之，则充电间短。 (7)放电端(引脚7):Ct的放电由5、7两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开，有利于通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽，其取值范围为0500no放电电阻RD和乙越大，放电时间越长;反之，则放电时间短。 (8)软起动(引脚8):比较器的反相端，即软起动器控制端(引脚8)，引脚8可外接软起动电容。该电容由内部UREF的50pA恒流源充电。 (9)补偿端(引脚9):在误差放大器输出端引脚9与误差放大器反相输入端引脚1间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特性。补偿端工作电压范围为1.55.2V。 (10)封锁端(引脚10):引脚10为PWM锁存器的一个输入端，一般在该端接入过流检测信号。过流检测信号维持时间长时，软起动引脚8接的电容C将被放电。电路正常工作时，该端呈高电平，其电位高于锯齿波的峰值电位(3，30V)。在电路异常时，只要引脚10的电压大于0.7V，三极管导通，反相端的电压将低于锯齿波的谷底电压(0.9V)，使得输出PWM信号关闭，起到保护作用(输人高电平关闭信号)。 (11)脉冲输出端(引脚11、引脚14):输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。引脚11相副脚14相位相差180。，拉电流和灌电流峰值达200nA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收之间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，持续时间约为100ns可以在Uc处接一个约0.l件F的电容滤去电压尖峰。 (12)接地端(引脚12):该芯片上的所有电压都是相对于引脚12而言，既是功率地也是信号地。在实际电路中，由于接入误差放大器反相输入端的反馈电压也是相对于引脚12而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。 (13)推挽输出电路电压输入端屿1脚13):作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出功率。可以和副脚15共用一个电源，也可用更高电压的电源，电压范围是1834V。 (14)芯片电源端(引脚15):直流电源从引脚15引人分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1V土1的内部基准电压。如果该引脚电压低于门限电压(8V)，该芯片内部电路锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)使消耗的电流降至很小(约2mA)。另外，该引脚电压最大不能超过35V，使用中应该用电容直接旁路到地端引脚12。 (15)基准电压端(引脚16):基准电压端引脚16的电压由内部控制在5.1V土1。可以分压后作为误差放大器的参考电压。SG3525的内部结构如图8所示： 图8 SG3525的内部结构图SG3525脉宽调制器的特点：(1)工作电压范围宽:835V。 (2)5.1V士1%微调基准电源。 (3)振汤器上作频率泡围觅:l00400kHz。 (4)具有振荡器外部同步功能。 (5)死区时间可调。 (6)内置软起动电路。 (7)具有输入欠电压锁定功能。 (8)具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。 (9)逐个脉冲关断。 (10)双路输出:500mA(峰值)。4.2驱动电路驱动电路采用IR2104驱动芯片进行驱动。驱动芯片的典型电路如图9。IR2104是一种具有高耐压值、高速的MOS管驱动器。其拥有独立的高端和低端参考输出通道。独有的HVIC和latch immune CMOS技术使得其加强了整体的结构。最低可至3.3V的逻辑输入兼顾标准的CMOS或者LSTTL输出。输出驱动特性高脉冲电流缓冲阶段为最低驱动cross-conduction而设计的。流动通道可用于驱动一个n沟道功率MOSFET和IGBT在高压侧配置从10到600V。MOS管采用IRF540。IRF540 采用Thrench工艺的低导通内阻的快速开关。开态电阻, Rds(on):0.04ohm。导通电阻非常低，所以功耗很低。 图9 IR2104驱动芯片进行驱动。驱动芯片的典型电路4.3 电压电流采集电路4.3.1电压采集电路电压采集采用最简单的串联电阻分压。由于电阻的阻值不可能很精确，所以采用软件进行修正。电流采集采用MAX471芯片，内部结构与引脚如图10所示：图10 MAX471内部拓扑和引脚其主要特性有：采用高边（High-Side）电流检测方式；内置35m的精密取样电阻；2%的精度；测量范围：03A；芯片由RS+引脚提供电源，供电电压范围：336V，最大电流100A；当掉电（Shutdown）端SHDN=1时，芯片处于掉电状态，耗电仅5A；SHDN=0,正常工作；当被测电流由RS+流向RS-时，集电极开路输出的SIGN=0，若电流流向相反，则SIGN=1，因此可以监视电池是充电还是放电。图11 为其十分简洁的应用电路。MAX471内部最重要的关系为IOUT/ILOAD500A /A，IOUT为OUT输出的电流，ILOAD为被测负载电流。当OUT接2k电阻时，负载电流=1A，输出电压约为1V。若被测电流大于3A，可选用外接电流取样电阻的MAX472。此类芯片最突出的优点是不需要额外的供电电源。 图11 MAX471典型应用电路4.4 控制模块4.4.1单片机这里采用STM32F103VET微处理器做为主控芯片，它是以32位的Cortex-M3 为内核的ARM芯片，拥有最高72MHZ的工作频率、高达64K字节的SRAM、多达112个快速I/O口，多达11个定时器、13个通信接口、多达18个通道的12位ADC以及2个通道的DAC，而且它的每个I/O口都可以作为外部中断输入。由此可以看出此芯片速度快，资源丰富，用作本次数控电源设计的控制芯片，完全符合要求，而且省去了再外部焊接ADC、DAC电路的麻烦。我们主要用到的它的2个通道ADC、1个通道的DAC以及外部中断。4.4.2 AD/DAD/A转换就是数模转换，将数字信号转换成模拟信号，与A/D正好相反它的技术指标也是分辨率、转换速率、量化误差、偏移误差、满刻度误差、线性度，在这里，主要关心的也是它的分辨率。本次设计采用的是STM32自带的DAC，DAC可以配置为8位或12位模式，与DMA控制器配合使用，可以减小系统的响应时间。DAC工作在12位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。 DAC模块有2个输出通道，每个通道都有单独的转换器。在双DAC模式下，2个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步地更新2个通道的输出。 DAC可以通过引脚输入参考电压VREF+以获得更精确的转换结果。程序设计中，为了保证采集到的数据的精度，对多次的采集到的结果进行求解平均处理，增加的系统的抗干扰性。4.4.3按键这里采用3个独立按键来控制整个系统，为了保证系统能够快速的响应用户的操作，对按键状态的改变采用STM32的外部中断来进行捕捉。这三个按键分别是key1，key2，key3 。它们的功能分别为：Key1：对当前控制的变量进行切换。（step：步进值、Auto：自动步进状态、StableV：稳压状态、StableA：恒流状态。）Key2：主要功能为“+”，按照step步进增加一个单位。如果控制的是布尔类型的变量，则对它的状态进行取反。Key3：主要功能为“-”，按照step步进减少一个单位。如果控制是布尔类型的变量，则对它的状态进行取反。4.4.4显示这里采用TFT液晶显示屏显示当前的电压电流值，并且在屏幕的上方显示当前的所设置的状态信息。主要显示一下内容：Step：步进值，表示每次按下“+/-”功能键后，电压/电流值所改变的大小。Auto：自动扫描还是手动步进（有两个选项：close和open）。StableV：恒压输