DC-DC开关电源及其控制系统毕业论文.doc

DC-DC开关电源及其控制系统毕业论文 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 开关电源子系统22.1.2 电压控制子系统：22.1.3 电压测量子系统：32.1.4 单片机子系统：32.2 系统的主要功能33. DC-DC开关电源子系统的硬件设计43.1 降压型DC-DC开关电源子系统43.1.1 主要功能与设计指标43.1.2 基本设计原理43.1.3 主要电路和参数设计53.1.4 专项讨论83.1.5 实物图93.2 升压型DC-DC开关电源子系统103.2.1 主要功能与设计指标103.2.2 基本设计原理5103.2.3 主要电路和参数设计113.2.4 实物图124. 电压控制子系统的硬件设计134.1 主要功能与设计指标134.1.1 主要功能134.1.2 设计指标134.2 基本设计原理134.3 主要电路和参数设计144.3.1 元件参数列表144.3.2 基准电源模块144.3.3 整型模块154.3.4 有源低通滤波模块154.3.5 信号隔离变换模块164.4 实物图165. 电压测量子系统的硬件设计175.1 主要功能与设计指标175.1.1 主要功能175.1.2 设计指标175.2 基本设计原理175.3 主要电路和参数设计175.3.1 元件参数列表175.3.2 核心芯片ADC0804介绍185.3.3 元件参数设计195.4 实物图197. 致谢338. 参考文献349. 附录A 开发环境359.1 硬件开发359.2 软件开发3510. 附录B 软件程序清单3611. 附录C 系统操作说明书4811.1 电源连接4811.1.1 降压型DC-DC开关电源及其控制系统4811.1.2 升压型DC-DC开关电源子系统4811.2 显示说明4911.3 按键操作5012. 附录D 测试和分析5112.1 测试项目和方法5112.1.1 降压型DC-DC电路模块5112.1.2 开环控制功能5112.1.3 闭环控制功能5212.1.4 降压型DC-DC电路模块5212.2 测试的资源5212.3 测试结果及分析5312.3.1 降压型DC-DC电路模块5312.3.2 开环控制功能5312.3.3 闭环控制功能5412.3.4 降压型DC-DC电路模块5413. 附录E 课程学习心得和意见建议55第54页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院1. 概述1.1 编写说明本篇报告为上海交通大学04级电子信息与电气工程学院电子系学生大三第一学期科技创新课程的设计报告，其中详细阐述了有关DC-DC开关电源的硬件与软件设计、开发环境、功能指标以及测试分析方法，旨在全面记录本实验小组的设计思路和操作过程，总结经验与心得体会，供指导老师在检查评分时参考，亦可作为与同学交流沟通的书面材料。本文适合电子相关专业人士以及有一定理论基础的业余电子设计爱好者阅读。1.2 名词定义l 开关式稳压电源：采用开关三极管控制的直流稳压电源，可通过调节占空比控制电压输出。l 单片机小系统：单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出适配器集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电子计算机中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外置硬盘硬体）和节约成本。它与其外围扩展电路的总和称为单片机小系统。l 开环控制：被控制量（输出量）对控制量（输入量）没有影响，即被控制量只能受控于控制量，而对控制量无反作用。 1l 闭环控制： 基于负反馈（输入量与反馈量相减）基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，也称反馈控制。1l 标定占空比：自动拟合模式下，以电压为基准点，系统对应该电压值输出PWM波的占空比。l 电气隔离： 两部分支路无电气上的直接联系，使相互间的干扰降到最小。l 模数转换：将模拟信号转化为数字信号。l 占空比：方波信号一个周期内高电平所占的比例。l 过流保护：设定系统电流上限，防止功耗过大，导致元件损坏。l 开关频率：开关电源中，开关管导通的频率。l 电压调整率：输入电压变化时，输出电压变化幅度与输入电压变化幅度的比值。l 纹波：叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号。1.3 缩略语DC(direct current)：直流PWM(Pulse-Width Modulation)：脉宽调制ADC(analog digital)：模拟-数字转换LPF(low-pass filter)：低通滤波器2. 系统总述2.1 系统组成图2.1 系统组成示意图本次实验内容包括降压型与升压型DC-DC开关电源两部分，他们分别由开关电源、电压控制、电压测量与单片机四个子系统组成，其中电压控制、电压测量与单片机子系统根据相同的原理构成（本次实验由于时间限制，我们只完成了升压型DC-DC开关电源的开关电源子系统）。四个子系统关系如图2.1所示，单片机通过扁平电缆输出PWM波，经电压控制子系统处理，通过光电耦合器件4n25控制开关电源的输出电压；电压测量子系统同样通过4n25与开关电源子系统连接，它对输出电压进行采样并处理后经扁平电缆反馈给单片机。2.1.1 开关电源子系统2.1.1.1 降压型开关电源子系统降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定2030V直流电压转换为510V稳定可调的直流电压输出。该子系统以TL494为核心元件，三极管Tip42为开关，通过开关的通断产生带有可控纹波的稳定电压，通过调节可调电阻即可得到510V的输出。2.1.1.2 升压型开关电源子系统升压型DC-DC开关电源子系统实现了将不稳定914V直流电压转换为1520V的稳定可调直流电压。基本元件、原理与降压型DC-DC开关电源子系统相同。2.1.2 电压控制子系统：电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，实现将单片机输出的PWM波转化为可变电压，从而对输出电压进行控制。该子系统由整形、有源低通滤波、信号隔离变换与基准电源4个电路模块组成。2.1.3 电压测量子系统：电压测量子系统分为基准电源、信号隔离变换、A/D转换三个模块，分别以TL431、4N25和ADC0804为核心，将采到的电压信号转化为8位数字信号反馈给单片机处理。2.1.4 单片机子系统：单片机子系统配合以上三个子系统，通过软件实现用户操作界面、开环控制，开环自动拟合以及闭环控制四项功能。用户界面包括数码管显示与按键控制；开环控制中单片机负责计算所需电压对应的占空比，输出相应的PWM波，并可对应输入的电压数据自动进行重新计算拟合，以适应电路变化；闭环控制中单片机控制AD0809进行采样，并转换成对应的数字信号与标准值比较，然后根据差值对输出占空比进行调整。2.2 系统的主要功能本次实验实现了降压型与升压型两种DC-DC开关电源，其主要功能如下：l 键盘与显示：通过单片机小系统的四个按键实现人机交互，数码管可显示电压、占空比、系统当前工作方式等。l 手动调节电压输出：降压型（升压型）开关电源子系统在单独工作的方式下，可通过手动调节可调电阻阻值，实现在输入电压2030V（914V）范围内，输出510V(1520V)稳定的直流电压。l 开环控制电压输出：在系统工作状态一定的条件下，在输入电压2030V范围内，输出用户通过按键指定的510V电压。l 自动拟合：开环控制条件下，当系统状态与预设值发生少量偏移（例如可调电阻阻值改变等）时，单片机可利用用户输入的三个标定占空比，自动重新拟合V-P曲线，使系统恢复正常工作。l 闭环控制电压输出：在输入电压2030V范围内，系统根据反馈电压值，自动调节控制信号，输出用户通过按键指定的510V电压。3. DC-DC开关电源子系统的硬件设计3.1 降压型DC-DC开关电源子系统3.1.1 主要功能与设计指标3.1.1.1 主要功能降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定2030V直流电压变换为510V稳定可调的直流电压输出。此模块既可单独工作，也可与电压控制子系统、电压测量子系统连接，实现开环、闭环功能。单独工作时，用户可以通过调节电压采样支路上滑动变阻器的阻值来调节输出的电压。3.1.1.2 系统设计指标表3.1 降压型DC-DC开关电源子系统设计指标2项目指标输入直流电压20V30V输出直流电压5V10V额定输出电流1A限流值1.1A电压调整率0.5 %电流调整率1%输出电压纹波100mVp-p效率65%截止电流值1.2A3.1.2 基本设计原理图3.1 降压型DC-DC开关电源原理图该子系统的等效电路如图3.1所示。系统通过PWM波控制三极管的通断，使电路处于导通和断路两种工作状态。TL494产生的PWM，其波形如图3.2所示：图3.2 TL494输出的PWM波形当PWM信号为高电平时，三极管导通，电源电压Vin对储能电感L充电，此时由于二极管两端为反向电压，因此处于截止状态，从而导致负载电阻RL两端电压上升。当PWM信号为低电平时，三极管断开，此时二极管两端变为正向电压，处于导通状态，从而电感通过二极管放电。使得电感中的电能不断减小，RL两端电压逐渐下降。当三极管的导通频率足够高时，就能够使负载电阻RL两端输出电压的纹波幅度满足设计要求，从而保持输出电压的稳定。3.1.3 主要电路和参数设计3.1.3.1 核心芯片TL494TL494的内部结构与工作原理如图3.3所示。Vref经分压后从1IN-端输入误差放大器1（Error Amplifier 1），输出电压的采样值从1IN+端输入。误差放大器1将两者进行比较，当采样电压大于基准电压时，其输出端对VA进行充电，使VA的电压不断升高；当采样电压小于基准电压时，VA通过恒流源放电，从而VA的电压不断下降。而VA的变化会引起PWM比较器（PWM Comparator）判决门限的改变，使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波。图图3.3 TL494的内部结构图3TL494还另外引入了两个关断条件。一是DTC端口连接的Dead-Time Control Comparator，可防止开关管常开，保证在1个开关周期里至少有Dead-Time时间是关断的。另一个是误差放大器2，它能起到输出过流保护的作用，输出电流采样值从2IN+端输入，原理与误差放大器1类似。R5C1C3C2C5C4R1R2R3R4R6R7R8R9R10R11R12R14R13L3.1.3.2 外围电路设计图图3.4降压型DC-DC开关电源子系统电路图33.1.3.3 元件参数列表表3.2 降压型开关子系统元件参数表元件元件参数元件元件参数元件元件参数C1100FR347kR100.1C20.1FR41MR115.1kC31000pFR56.8kR12022kC4470FR65.1kR135.1kC5100FR76.8kR1401kR1390R85.1kRL10R251R9120L1mH3.1.3.4 元件参数设计3(1) 工作频率的确定（C3、R7）开关电源的工作频率（PWM波的频率，即三极管开、关的频率）是由TL494芯片5号管脚上的电容C3和6号管脚上的电阻R7决定的，他们的关系为：增大工作频率可减小纹波幅度，但同时也会降低效率。经过反复试验，最终确定工作频率为(2) 三极管基极电阻R1、R2的选取适当增加与三极管基极相连的电阻R1、R2的阻值，可降低开关管饱和导通深度，降低开关状态切换速率，可减小在开关瞬间电感漏感产生的涡流引起的开关瞬间噪声，即减小纹波的毛刺，但是矛盾的是R1、R2的增大会导致系统效率的下降。因此应该综合考虑毛刺以及效率两方面因素来确定R1、R2的取值。试验中，只能通过多次尝试决定。(3) 输出电压采样网络的设计图3.5 误差放大器1外围电路分析3由图3.3.4可以看到输出电压Vout经R11、R12、R13以及R14组成的串联分压网络分压后，从误差放大器1同相输入端输入，并与Vref经R5、R8的分压进行比较，由于放大器两输入端电势差约等于0，所以得到如下等式：本次实验中电阻R11和R13给定为5.1k。最初我们选择R5=R8=5.1k，但输出电压无法达到10V，因此将R5的阻值提高到了6.8 k。(4) 误差放大器反馈网络的原理误差放大器反馈网络的参数中，R4决定误差放大器的增益倍数，从而对电压调整率造成影响，而C2和R3组成的串联支路可抑制高频增益，防止误差放大器产生自激振荡。关于参数的计算并没有较好的方法，只能在实验中不断尝试。(5) 电流采样电阻网络的选取：图3.6 限流保护电路原理图图3.6说明了系统限流保护的原理，若误差放大器的反相输入端电压值大于或等于正相输入端电压值，系统将进行输出过流保护。设限流值为I，则电阻网络应满足：其中I=1.1A， R10=0.1，计算可得R6，R9的电阻值。3.1.4 专项讨论3.1.4.1 纹波的抑制4抑制纹波可采取一下几种措施：(1) 增大储能电感值。该方法效果不明显，因为电感的取值范围较小，且增大电感值易产生磁饱和现象。(2) 增大开关频率。此方法在一定程度上可以使三极管开关切换更加频繁，从而显著降低纹波峰峰值。但若三极管开关过于频繁，因为频率和效率是一对矛盾，就会使得效率显著下降，TL494放出大量热量。(3) 减小开关管饱和导通深度。适当增大，可以降低饱和导通深度，但也会降低效率。(4) 增大滤波电容。此方法效果不明显，且电容占用大量空间，是非常不经济的做法。3.1.4.2 效率的提高由上述分析可知，效率与频率是一对相互制约的矛盾量，因此抑制纹波的元件参数在对效率的调节也起着至关重要的作用。将3.1.4.1节所述措施(1)、(2)、(3)的相关参数向相反的方向调节就可提高效率。3.1.4.3 电感的绕制实验初期，本组共绕制了三个电感，分别约为2.2mH、0.7mH、1.2mH，但不是出现磁饱和现象，就是纹波峰峰值过大。最后我们先将电感的一部分固定，使磁棒仍可移动。焊入电路后，通过调整小磁棒与铁芯的接触面积来改变电感值，同时动态观测纹波波形，直至纹波峰峰值达到要求。本组首创的这种动态调试的方法，由于其可操作性和便利性，被众多小组采用，可供以后的科创小组参考借鉴。3.1.5 实物图图3.7 降压型DC-DC开关电源子系统实物图3.2 升压型DC-DC开关电源子系统3.2.1 主要功能与设计指标3.2.1.1 主要功能升压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定9V14V直流电压变换为15V20V稳定可调的直流电压输出。此模块即可单独工作，也可与电压控制子系统、电压测量子系统连接，实现开环、闭环功能。本次实验中，我们只实现了他的单独工作，用户可以通过调节电压采样支路上滑动变阻器的阻值来调节输出的电压。3.2.1.2 设计指标表3.3 升压型DC-DC开关电源子系统设计指标2项目指标输入直流电压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%3.2.2 基本设计原理5图3.8升压型DC-DC开关电源子系统原理图5如图3.8所示，在PWM波的高电平时段，开关三极管T1导通，输入电压为储能电感L充电；在PWM波的低电平时段，开关三极管T1转为截止状态，储能电感L将感生出电动势，该电动势与输入电压Vin同向，叠加后的输出大于Vin电压Vo，从而实现升压输出。同时，需要注意的是，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，维持电流的时间不能太长。所以，T1的开关频率不能过低，即占空比不能太大。3.2.3 主要电路和参数设计3.2.3.1 电路设计图图3.9 升压型DC-DC开关电源子系统电路图63.2.3.2 元件参数列表表3.4 升压型DC-DC开关电源子系统元件参数元件元件参数元件元件参数元件元件参数R1180R810kR155.1kR251R9150C1100FR351kR100.1C20.01FR46MR1120kC31000pFR510kR12022kC4470FR65.1kR135.1kC5100FR78.2kR1401kL约1mH3.2.3.3 元件参数设计(1) 电感由于升压型DC-DC开关电源子系统的电路与降压型相比，通过电感L的电流基本不变，于是我们采用了与降压型同样的电感制作工艺和电感数值，即L=1mH。(2) 工作频率的确定（C3、R7）工作频率直接影响纹波峰峰值和效率，相比降压型DC-DC开关电源子系统，我们适当增大了工作频率，即增大了R7值，使纹波峰峰值有效地控制在100mV以内，同时最坏情况下的效率没有减小。(3) 误差放大器反馈网络的设计误差放大部分电路见图3.10。图3.10 误差放大器电路图 7我们选定R4=6M，R5=10k，因此增益=600，经实验验证，可满足设计要求。3.2.4 实物图图3.11 升压型DC-DC开关电源子系统实物图4. 电压控制子系统的硬件设计4.1 主要功能与设计指标4.1.1 主要功能电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，将单片机输出的PWM波转化可变电压。它作为单片机控制输出电压的桥梁，代替了手动调节可变电阻的过程，实现了开环控制。4.1.2 设计指标输出电压误差绝对值0.05V。4.2 基本设计原理该子系统由基准电源、整形、有源低通滤波与信号隔离变换4个模块组成。其关系如图4.1所示。基准电源模块对5V电源进行稳压并分压，输出4V稳定电压作为整型电路的稳压源，整型电路将单片机输出的不稳定的PWM信号整型，有源低通滤波模块将起转化为与占空比成正比的直流电流，通过信号隔离变换模块与DC-DC开关电源子系统连接，达到控制的目的。图4.1 电压控制子系统设计图4.3 主要电路和参数设计4.3.1 元件参数列表表4.1 电压控制子系统元件参数列表元件元件参数元件元件参数元件元件参数R110kR630kC21FR220.51kR730kC330pFR3100R8100kR9100kR410kC11FR103.9kR515k4.3.2 基准电源模块4.3.2.1 核心器件TL431图4.2 TL431原理图8由图4.2可知，TL431内部有一个2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当R端接近2.5V时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过。使用时，应使K端电流在1100mA范围内且VKA在2.536V范围内为佳。4.3.2.2 外围电路设计图4.3 基准电压模块设计图8由于TL431正常工作时，R端电压约为2.5V，所以R4，R5阻值应满足而电阻R3的选取既不能过大，也不能过小。若R3太大，当输出电流变大时， R3 上压降太大，VKA无法保持所需电压，若R3太小，会导致功耗过大，损坏元件。本实验中取100150为佳。4.3.3 整型模块图4.4 整型模块设计图9CD4011是与非门元件，以稳定的4V电压为工作电源，对输入信号进行整型。R1、R2电阻网络对单片机子系统P1.6引脚输出的PWM信号进行分压，使高电平电压降至4V，故满足关系式：值得注意的是，经过CD4011后，信号反相，实际占空比1原占空比。4.3.4 有源低通滤波模块图4.5有源低通滤波模块4由于无源滤波器的通带放大倍数及其截止频率都随负载的变化而变化，不能满足实验的要求，因此本次实验采用了有源滤波器。图4.5为Sallen Key二阶滤波器的典型电路，其截止频率为50Hz。因为单片机输出的PWM信号频率为500Hz，远大于截止频率，故CD4011输出的稳定PWM波通过该滤波器之后只剩下直流分量，其值约为PWM波高电平和占空比的乘积。如图4.5，R9与C3可防止放大器自激，而R6、R7、C1及C2决定了滤波器的截至频率，一般取R6R7，C1C2，可由下式求得：4.3.5 信号隔离变换模块图4.6 信号隔离变换模块4该模块以光电耦合器4N25为核心元件，它相当于一个流控电流源，实现了电压控制子系统与DC-DC开关电源子系统的信号变换传递。如图4.6，4N25将右侧的电压信号Vin传递到左侧负载电路，对R12上流过的电流进行了分流，从而改变输出电压，同时，右侧电压控制子系统的工作不受左侧负载阻抗变化的影响，实现了电气隔离。4.4 实物图图4.7 电压控制子模块实物图5. 电压测量子系统的硬件设计5.1 主要功能与设计指标5.1.1 主要功能该系统通过对DC-DC开关电源子系统的输出电压进行采样，并转化为数字信号，与既定值比较，自动调节控制信号，使系统输出用户通过按键所指定的510V电压，实现系统的闭环控制。与开环控制相比，闭环控制可适应DC-DC开关电源子系统工作状态在一定程度内的变化，如可调电阻阻值变化，工作温度变化等。5.1.2 设计指标输出电压误差绝对值0.05V5.2 基本设计原理电压测量子系统分为基准电源、信号隔离变换及ADC三个模块，分别以TL431、4N25和ADC0804为核心。电压信号通过信号隔离变换模块的处理，输出给ADC模块进行模数转换，而基准电源模块则提供给ADC模块稳定的参考电压，使其能保持固定的转换关系。其中基准电源以及信号隔离变换模块与4.3.2节相同，在此不再赘述。图5.1 电压测量子系统设计图5.3 主要电路和参数设计5.3.1 元件参数列表表5.1 电压测量子系统元件参数列表元件元件参数元件元件参数元件元件参数R111k+022kR515kR9500R23.9kR611.25kR1010kR3132.2R72kC1200pFR410kR81k5.3.2 核心芯片ADC0804介绍ADC0804是一块具有20引脚的8位COMS依次逼近型A/D转换器。图5.2 ADC0804开始转换时序图10图5.3 ADC0804数据输出时序图10由图5.2可知，当CS与WR同为低电平时，AD转换启动，转换得到的8位二进制码存入数据锁存器，同时INTR引脚自动变为低电平，可用于通知CPU转换结束。从图5.3中可以看出，当CS和RD同为低电平时，数据锁存器三态门打开，输出数字信号， RD高电平到来后三态门又恢复高阻状态。为能尽量大的利用ADC的编码范围，应对电路做如下调试11（设 Vin(+)VAmin , VAmax）：(1) 取R1、R2，使Vin(+)动态范围比较大；(2) 取R6、R7，使Vin(-)VAmin；(3) 取R8、R9，使 (VAmax Vin(-) ) / Vref 15.3.3 元件参数设计一下所做计算只是初步估算，实验时，还应根据实际情况调整。(1) R2的计算当4N25内部三极管集电极电流为1毫安时，。(2) R6和R7的计算当4N25的输入电压为510V时，输出电压为0.653.4V。因此令Vin(-)0.3V，根据计算可得。(3) R8和R9的计算由于(VAmax-Vin(-) )/Vref3.4-0.65=2.75V，即Vref/2=1.38伏特。由于Vref/2不等于基准电压在R8、R9的分压，所以无法通过计算确定，但可由分压式估算大致取值范围。5.4 实物图图5.4 电压测量子系统实物图6. 单片机子系统及软件设计6.1 单片机子系统硬件介绍6.1.1 主要功能单片机子系统可配合以上三个子系统，通过软件实现用户操作界面、开环控制，开环自动拟合以及闭环控制四项功能。用户界面包括数码管与按键及其相关元件，其他元件则合作完成输入数据的处理与计算，已经控制信号的输出。6.1.2 实验相关元件6.1.2.1 IDC26 IDC26是单片机与ADC0806的接口，共有26个引脚，以扁平电缆相连。AD0AD7接ADC0806输出的8位编码，RD，WR，CS3分别接ADC0806的RD，WR，CS端。IDC26的引脚定义如图6.1所示。图6.1 IDC26引脚定义6.1.2.2 74HC37374HC373是含有8个逻辑单元的三态锁存器，主要用于三态地址、数据锁存，其结构如图6.2所示：图6.2 74HC373结构图126.1.2.3 74HC0274HC02由四个2输入或非门组成，常用做地址选通器，其结构图如图6.3所示：图6.3 74HC02结构图136.1.2.4 MM74HC138MM74HC138是常用的3-8译码器，通常作为单片机小系统的地址译码器使用，其结构如图6.4所示：图6.4 MM74HC138结构图146.1.2.5 AT89S52AT89S52是现今最常用的单片机，是单片机小系统的核心，具有运算、存储等功能。6.2 软件设计6.2.1 软件总体结构和功能主循环模块数码管显示刷新子模块T1初值计算子模块按键响应子模块初始化开环控制模块开环控制自动拟合模块T1中断服务程序PWM信号发生模块T0中断服务程序数码管显示驱动子模块按键消抖子模块AD转换读取子模块闭环控制模块数字低通滤波子模块占空比变速整子模块若启动闭环控制图6.5 单片机软件总体结构框图 本系统单片机的功能主要有两个：（1）开环控制：作为智能控制单元，根据用户设置的电压，计算相应的占空比，并输出相应占空比的PWM波，通过电压控制子系统，间接对DC-DC开关电源的输出电压进行控制。（2）闭环控制：单片机应控制ADC0804工作，读取当前电压经ADC转换后的数字量，并根据输出电压与ADC输出数字量的对应关系，动态调整占空比，使得输出电压在规定时间（30秒）内达到用户的设置值。为实现上述功能，软件设计主要有四个模块：（1） PWM信号发生模块（2） 开环控制模块（3） 开环控制自动拟合模块（4） 闭环控制模块上述四个模块将在6.2.46.2.7详细论述，此外主循环模块使用户通过按键实现对各工作状态的管理，在本文第11节会有详尽的按键操作说明。6.2.2 重要的全局变量列表（以字母序排列）表6.1 全局变量表名称类型功能AD_dataunsigned char xdata闭环数字低通滤波子模块的环形队列AD_flagbit标志：是否启动AD转换AD_ptrunsigned char闭环数字低通滤波子模块的环形队列指针AD_requieunsigned int目标AD：闭环目标电压对应的AD转换数字量AD_valueunsigned int当前AD：闭环当前电压对应的AD转换数字量adjust_countunsigened char计数器：开环自动拟合，计数当前是第几个标定占空比adjust_propunsigned int开环自动拟合标定占空比change_flagbit标志：是否重新计算T1中断的初值CLC_flagbit标志：是否启动闭环控制coe_pvfloat开环控制pv特性曲线系数DelayCounterunsigened char计数器：闭环延时计数器，闭环时T0每中断一次加1hilv_timelolv_timeunsigned intT1初值，用于高电压周期unsigned intT1初值，用于低电压周期prop_floatprop_intfloatint占空比，float型，用于计算，单位占空比，float型，用于显示，单位prop_int=prop_float+0.5（四舍五入）PWM_flagbit标志：PWM状态标志refresh_flagbit标志：是否刷新数码显示setting_flagunsigned char标志：系统状态标志voltunsigned int电压，单位0.1V6.2.3 流程逻辑按键服务子模块数码管显示刷新子模块uai按键按下状态改变启动闭环启动AD转换YNNY计算当前ADAD读取完成调整占空比当前AD！=目标ADNNYYYN开始T1初值计算子模块图6.6 主循环模块流程逻辑读取AD转换结果AD标志=0NYT0中断进入关中断T0数码管显示驱动按键消抖T0重赋初值开中断T0中断返回图6.7 T0中断服务模块流程图NT1中断进入屏蔽其他中断PWM状态标志=0重装高电平初值重装低电平初值YT1中断返回图6.8 T1中断服务程序PWM信号发生模块流程图6.2.4 PWM信号发生模块描述6.2.4.1 功能描述该模块实现了可调占空比PWM信号的发生，是本系统中单片机控制DC-DC开关电源输出电压的媒介。本系统单片机使用P16作为PWM信号的输出管脚，用示波器观察P16，波形如图6.9，占空比prop =TH/T可调，频率PWM_FREQ=1/T=400Hz，Vpp约为5V。图6.9 PWM信号示意图6.2.4.2 流程逻辑图6.10 T1的中断服务程序PWM_Generator（）流程图156.2.4.3 算法 本系统中单片机使用T1作为PWM信号发生定时器，并采用中断响应方式。与原有的5ms周期性中断源T0不同，T1要产生具有一定占空比prop的PWM信号，因此有两个不同的中断间隔。引入PWM状态标志PWM_flag，并在主程序开始时初始化为0。当T1中断被响应时，执行其中断服务程序PWM_Generator()，在PWM_flag=0时，使信号输出管脚PWM_OUT（即P16）为高电平，置T1的初值TH1，TL1；在下一次T1被响应时，PWM_flag=1，使PWM_OUT为低电平，并重置T1的初值。只需使上述两种情况下T1的初值不同，就可以使T1在奇数次和偶数次被响应时分别具有不同的中断间隔，记为hilv_t（s），lolv_t（s），这就使得PWM_OUT的输出波形呈现出hilv_t（s）高电平，lolv_t（s）低电平不断交替。T1的初值由PWM信号的频率PWM_FREQ和占空比prop共同决定，具体计算将在6.2.4.4中讨论。 还需说明的是T1的中断服务程序对输出PWM波的稳定性有直接影响，故设为高优先级，在主程序开始时初始化（PT0=0，PT1=1），并在中断服务程序中设置屏蔽其它所有中断（EA=0）。示波器显示的波形不允许出现如图6.11的“幽灵波形”。图6.11 PWM信号中的“幽灵波形”156.2.4.4 主程序中相关子模块T1初值的算法描述 已知单片机的晶振频率为11.0592MHz=11059200Hz，则 ： 解得：重置T1初值时，TH1、TL1分别为hilv_time（或lolv_time）的高、低字节，因此 ：hilv_th = hilv_time/256;hilv_tl = hilv_time%256;lolv_th = lolv_time/256;lolv_tl = lolv_time%256;在T1中断服务程序中只需TH1= hilv_th; 或 TH1= lolv_th;TL1= hilv_tl;或TL1= lolv_tl;6.2.5 开环控制模块描述6.2.5.1 功能描述如6.2.1所述，开环控制中，单片机应根据用户设置的电压，计算相应的占空比，并输出相应占空比的PWM波。其中用户设置电压由主循环模块中的按键响应子模块实现，输出一定占空比的PWM波由PWM信号发生模块实现，以下仅对如何根据电压计算相应的占空比进行说明，实现这个功能的函数是Calc_Prop()。6.2.5.2 算法在测量的51组p-v数据的基础上，我们拟合出了描述本系统的p-v特性曲线：p=134.98438+3.20414*v+0.00664*v*v （6-1）其中p的单位是，v的单位是0.1V。将p-v特性曲线系数coe_pv分别初始化为：coe_pv0=134.98438，coe_pv1=3.20414，coe_pv2=0.00664。则当用户设置电压volt后，prop_float= coe0+coe1*volt+coe2*volt*volt。6.2.5.3 关于单片机的计算能力问题在实验过程中，单片机无法正确计算曾使我们困惑不已。最初，为了尽量避免float型变量的使用，我们希望p与v都用int型，即prop_int，volt。但因为要同时保证控制精度，p至少要有三位有效数字，所以p-v特性曲线的单位选择了p：，v：0.1V。在得到拟合曲线（公式6-1）后，我们进行了“化整运算”处理，公式6-1变形为：prop_int=（13498438+320414*v+664*v*v+50000）/100000此时coe_pv采用long型，全部运算均为整数运算，“+50000”的目的是保证四舍五入。但是通过验算单片机得出的prop_int值，我们发现其计算过程发生错误。该问题可通过在运算的同时关中断得以解决，否则单片机无法负荷。实验中，我们发现当p采用int型时，控制误差虽然能满足要求，但比较接近上限。为了改善这种状况，我们最终决定p采用float型，即prop_float，而prop_int仅用于数码管显示，同时coe_pv采用float型，应用6-1式，在引入关中断后，即使是含float的计算，单片机仍能得出正确的结果，使得控制精度得到了预期的改善。6.2.6 开环控制自动拟合模块描述6.2.6.1 功能描述在调偏R14后系统的p-v特性有所改变，初始化的曲线（公式6-1）不再适用，此模块的功能是根据用户输入的三个标定电压5.4，7.9，9.6对应的占空比，自动调整二次曲线系数coe_pv，求得新的曲线。其中用户输入三个标定占空比由主循环模块中按键服务子模块实现，以下仅对如何根据输入的标定占空比调整coe_pv进行说明，实现这个功能的函数是Adjust（）。6.2.6.2 算法因为曲线形式为p=c0+c1*v+c2*v*v，确定新的曲线就是要根据三个标定点（p1，v1），（p2，v2），（p3，v3）计算出新的c0，c1，c2。按v标定，选取v=5.4，7.9，9.6三点（选取根据详见确保模拟量检测精度的曲线拟合方法课程的论文）。当用户输入相应的p1，p2，p3后，可得下列方程组：将v1=5.4，v2=7.9，v3=9.6带入上式，并注意p的单位是，v的单位是0.1V，得：由matlab算得：截取程序代码片段如下：coe_pv0=7.22286*adjust_Prop1-12.1976*adjust_Prop2+5.97479*adjust_Prop3;coe_pv1=-0.166667*adjust_Prop1+0.352941*adjust_Prop2-0.186275*adjust_Prop3;coe_pv2=0.000952381*adjust_Prop1-0.00235294*adjust_Prop2+0.00140056*adjust_Prop3;6.2.7 闭环控制模块描述6.2.7.1 功能描述如6.2.1所述，闭环控制中，单片机应控制ADC0804工作，读取当前输出电压经ADC转换后的数字量AD_value，并根据已测得的输出电压与数字量的对应关系，动态调整占空比，使得输出电压在规定时间（30秒）内达到用户的设置值（目标电压，对应的ADC数字量为AD_require）。实现闭环控制的函数是CLC_func（）。6.2.7.2 流程逻辑开始控制ADC进行转换读取ADC转换的数字量T0中断进入足够长延时AD_value比AD_require大YN占空比增加占空比减少图6.12 CLC_func（）流程逻辑图6.2.7.3 数字低通滤波子模块6.2.7.3.1 功能描述 由于v上叠加有随机干扰 , ADC0804也有随机误差，ADC一次性转换得到的数字量是有随机误差的。但一般可以认为这些随机干扰误差是零均值、平稳、各态遍历的随机过程，即对v足够多个取样值取平均，随机误差的影响可接近于零，为此需构造 1个“数字低通滤波器”，信号流图如图6.13：图6.13数字低通滤波器模块信号流图166.2.7.3.2 数据结构与算法unsigned char AD_dataAD_SMPL_NUM 为一环形队列，储存ADC对某一v进行AD_SMPL_NUM次转换的结果，最终的转换结果为AD_value=(AD_data )/AD_SMPL_NUM，实验中取AD_SMPL_NUM=20。6.2.7.4 占空比变速调整子模块6.2.7.4.1 功能描述由于需要在规定时间内将电压调整到用户设置的目标电压，即完成占空比的调整。若当前电压与目标电压相差较大，则每次占空比的调整增量也应比较大，反之若当前电压接近目标电压，占空比的调整增量应比较小才能达到精度要求，因此需要变速调整占空比。6.2.7.4.2 调用函数说明unsigned int AD_change(unsigned int volt)功能：电压与ADC转换所得数字量的对应关系查找表输入项：目标电压volt，输出项：目标AD，赋值给AD_require。6.2.7.4.3 流程逻辑AD_temp40AD_temp=AD_value-AD_requireAD_temp0AD_temp10YAD_temp-40YAD_temp-10Yprop_int+=30prop_int+=10prop_int+prop_int-=30prop_int-=10prop_int-图6.14 占空比变速调整模块流程逻辑7. 参考文献1 徐薇莉等，自动控制理论与设计，上海交通大学出版社，20012 上海交大电子工程系，科技创新3课程任务要求2006-12-3修订，20063 上海交大电子工程系，科技创新3讲座2：（降压型）DC-DC部分的设计和实现I ，20064 上海交大电子工程系，科技创新3讲座3：（降压型）DC-DCII电压控制I ，20065 上海交大电子工程系，升压型 反向型DC-DC 指导材料，20066 上海交大电子工程系， DC-DC升压.Sch，20