2014年山东省大学生电子设计竞赛 高效直流稳压电源.doc

2014年山东省大学生电子设计竞赛(C题)论文标号：012C002题 目：高效直流稳定电源（C题）学 校：山东交通学院学 院：信息科学与电气工程学院 参赛学生： 联系方式：2014年9月8日72014年山东省大学生电子设计竞赛(C题)论文标号：012C002题 目：高效直流稳定电源（C题）学 校：山东交通学院学 院：信息科学与电气工程学院 参赛学生： 联系方式：2014年9月8日高效直流稳定电源（C题）摘要：本设计以自控制原理为理论基础，利用电力电子技术和微处理器技术实现了高效率开关稳压电源的设计。本电源以MSP430F2274为控制核心，以MOSFET作为功率开关器件，采用SG3524脉宽调制芯片产生PWM控制信号控制MOS管通断，使变换器工作在较高的开关频率从而实现了较高效率。主控系统利用单片机MSP430F2274及其外围电路实现参数设定及显示，通过键盘可以对输出电压、电流进行设定和调整，利用液晶显示器可以直观方便显示各种设定和实测参数。测试结果表明，设计的开关稳压各项技术指标达到或超过设计要求。电源具有输出电压、电流控制精度高、纹波小、效率高，工作可靠等优点。关键词：MSP430F2274、稳压稳流电源、SG3524 1系统方案 1.1 系统任务 设计并制作直流变换为直流的高效稳定电源，该稳定电源具有稳压和稳流功能。 1.2 基本要求 1.2.1稳压电源部分在输入电压UI=1316V波动下，输出电压为510V可调，最大输出电流I0=1.5A，电压调整率0.5%，负载调整率1%，进一步减小纹波以及增大转换效率，外加步进功能，并且显示输出电压。 1.2.2 稳流电源部分 在输入电压UI=1316V波动下，输出电流的可调范围为150mA1500mA，最大输出电压U0=10V，电流调整率1%，负载调整率2%，进一步减小纹波以及增大转换效率，外加步进功能，并且显示输出电压。 1.3方案论证 1.3.1 稳定直流电源类型 方案一：开关直流稳压电源 开关型电源适应市电变化能力强、输出电压可调范围宽，相比线性电源其功耗低，效率高；其缺点是纹波较大。 方案二：线性稳定电源 线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区靠调整管之间的压降来稳定输出，该类电源优点是稳定性高、纹波小，缺点是体较笨重效率较低。 综合比较，为了提高电源效率和得到大范围的稳定输出电压，选用方案一。 1.3.2 PWM控制模块 方案一：采用SG3524SG3524内部包含基准电压源UREF、振荡器OSC、比较器C、误差放大器EA、触发器FF、限流保护比较器CL、输出关断电路和两只输出晶体管Q1、Q2，单个输出的时候占空比为45%，双通道输出时占空比高达90%。方案二：脉宽调制控制器LT494脉宽调制控制器LT494具有以下特点：1、集成了全部的脉宽调制电路；2、片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）；3、内置误差放大器；4、内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力；5、推或拉两种输出方式。综合以上方案，为了使系统具有足够的效率和较低的功耗，选用方案一。 1.3.3 AD转换芯片的选择 方案一：ADS1256芯片 其具有：1、24位无数据丢失；2、可配置为8路单极输入或4路差动输出；3、采集卡的采集速率为30KS，精度可达到0.00001；4、带有可编程数字滤波器；5、带有输入缓冲器；6、带有串行外设接口；7、正常模式下功耗为38m；8、备用模式下功耗为0.4mW；9、模拟输入电压为5V，数字电压为1.83.6V。 方案二：ADS1118芯片其具有：1、16位ADC采集芯片；2、宽电压供电：2.0v-5.5v；3、低电流消耗：连续模式 150ua 单次模式 自动断电；4、可编程数据速率：8sps 到 860sps；5、内部精度电压参考；6、内部温度传感器：最大 0.5；7、误差内部时钟发生器。 考虑检测的精度系数、转换速率、需要转换的通道数以及系统功耗，选择方案一。 1.3.4 DA转换芯片的选择 方案一：DAC8501芯片 其具有：1、微功耗工作：160A（5 V）；2、上电复位臵零单电源供电：+2.7 V至+5.5 V 16位单调；3、建立时间：10s到0.003FSR ；4、支持数据接收和发送；5、片上轨到轨输出缓冲；6、双缓冲输入寄存器；7、持多通道同步更新。 方案二：DAC0832其具有：1、双缓冲、单缓冲，或流通数字数据输入；2、可容易地与12位1230系列D/A转换器进行互换且插脚兼容；3、可直接与所有的微型处理器相接；4、可用于电压转换模式；5、逻辑输入满足TTL电压水平说明。 考虑到需要转换的位数和检测的精度，选择方案一。综上所述，控制芯片为TI公司的MSP430F2274，采用SG3524脉宽调制芯片产生PWM控制信号控制MOS管通断，用ADC1256测量输出并使液晶模块显示输出值，用DAC8501采取数据实现对输出的步进功能控制。2系统硬件设计 2.1系统框图 系统结构框图如图 1。图1 系统框图 系统中，MSP430F2274为主控芯片，实现人机接口和参数设定，使电源在在输入为1316V的条件下，输出电压可调范围为510V或输出电流的可调范围为150mA1500mA。采用SG3524脉宽调制芯片产生PWM控制信号控制MOS管通断，通过直流转换电路输出稳定可调电压作为稳压源、稳流源的电源。用ADC1256测量输出，得到反馈电压用DAC8501采取数据实现对输出的步进功能控制。采用串联式稳压电路结合PID算法实现稳压、稳流。该设计的各项调整率的指标都很高。2.2 系统电路原理图图2电源主电路原理图图3系统控制电路原理图2.3电源主电路设计2.3.1 电源主控芯片SG3524 电源主控芯片由美国TI公司专为移相全桥软开关设计的控制芯片SG3524（贴片封装）为核心组成。电路工作频率由频率设置端（16脚）到地所接的电阻和电容决定，其关系为，f=4/R8C7。两个桥臂的延迟时间通过延迟时间设置端（7脚和15脚）分别设电压调节利用SG3524内的误差放大器，输出电压经分压后送到误差放大器反相端，5V基准电压（1脚）经R2、R3分压，送到同相端，作为给定信号。 在输出滤波电感中的电流是单一方向流动的。流过磁性绕组的电流，具有较大的直流分量，并且叠加一个较小的交流分量；它的频率是三倍的开关频率(60kHz)，属于第三类工作状态。按经验公式算法，当输出电流在二分之一脉动值时(即时)，输出滤波电感电流应当保持连续状态。所以输出滤波电感量为： 作为滤波电感值计算的临界条件是：当输出电流最小时，流过电感器中的电流接近临界中断。从上式可看出，流过电感中的电流Imax取最大值时，电感量则取最小值。实际上为了防止电感电流中断，应当取电感量大于计算值，即，在本电路中取400H。2.3.2 电源开关器件CDS1950 MOSFET CDS1950MOSFET电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子参与导电，是单极型晶体管。电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的因此它的显著特点是：驱动电路简单、输入阻抗大、工作频率高、且不存在二次击穿问题。2.4 系统控制电路的设计2.4.1 主控制器 采用MSP430F2274控制器。MSP430F2274单片机是由TI公司生产一种16位的单片机。5种低功耗省电模式,从待机到唤醒的响应时间不超过1s,片内高频时钟源,频率高达16MHZ,内部还有低功耗低频振荡器32KHZ晶振模块。除此,其还具有非常强的处理能力,非常适合一些对处理要求比较高的嵌入式系统。因此,MSP430F2274单片机在许多领域内得到了广泛的应用。3系统软件设计3.1 控制策略在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。控制规律为:u(t) =Kp e(t) +dt+Td Kp ：控制器的比例系数 Ti：积分系数 Td：微分系数 PID在本系统的作用：对系统的传递函数进行修正，以快速的跟踪变化，消除稳态误差。当系统中突发干扰、负载变化或者使用者主动调节输出时，PID环节可以帮助缩减过渡时间、进入新的稳定状态。3.2程序设计流程3.2.1主程序 开机后，主程序首先关闭看门狗，接着对相应的I/O口、系统时钟、定时器TA进行初始化，完成后开总中断。然后，执行main函数。3.2.2主函数 如下图所示：当单片机检测到有按键按下时，系统做出相应的反应，经过DAC8501控制输出值，ADC1256检测输出值，作用于液晶模块，以显示输出值，一路送入单片机与设定值进行比较，当大于或者等于设定值时，单片机通过控制电源继电器实现对电路的过压、过流保护。 图（5）主程序流程图 图（6）主函数流程图3.3、电路保护实现为了防止过电压、过电流对系统造成危害，我们设计了这样一套保护电路，ADC1256检测输出电压和电流的大小，并且送到单片机与设定值进行比较大小，当电压或电流中有一个大于或等于设定值时，单片机输出控制信号，通过对电源继电器的控制，实现对系统的断电，以达到过电压、过电流保护。3.4 LC滤波电路并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。 如图所示的滤波器，忽略电感电阻及线路阻抗，则该滤波器的传递函数为：设 :无阻尼自然震荡角频率；:阻尼比。则4 测试结果计算 4.1电压的测量数据及计算 测试项目指标要求测试条件测量值电压调节范围5V10VU1=1316VU0=4.925v10.84v最大输出电流Io=1.5A/Io=1.886A输出噪声纹波电压纹波电压100mVUI=15V，U0=5V，I0=1.5A36.5677.54mV效率整机效率70%UI=15V，U0=5V，I0=1.5A82.71%电压调整率输出电流为1A设定电压值：5V设定电压值：10V最小输入电压最小输出电压最大输入电压最大输出电压调整率最小输入电压最小输出电压最大输入电压最大输出电压调整率第一次12.955.01116.035.0210.20%12.969.948V16.0910.180.20%第二次13.085.01715.965.0190.04%13.0410.02V15.9810.570.55%第三次12.974.99615.985.0120.36%13.0710.06V16.1210.420.30%电压负载调整率输入电压为15V设定电压值：5V设定电压值：10V最小输出电流最小输出电压最大输出电流最大输出电压调整率最小输出电流最小输出电压最大输出电流最大输出电压调整率第一次505.85.023905.34.9820.82%504.85.054905.84.9910.28%第二次498.25.023912.84.9721.01%496.75.019909.94.9820.74%第三次512.54.978909.45.0190.56%502.45.033907.54.9900.86%4.3电流的测量数据及计算测试项目指标要求测试条件测量值电流调节范围150mA1500mAU1=1316VI0=142.61864mA最大输出电压U0=10V/U0=10.78V输出噪声纹波电流纹波电流100mVUI=15V，U0=10V，I0=1.5A56.1882.13mV效率整机效率70%UI=15，U0=10VI0=1.5A83.6%电流调整率I=1A，R=5下测试设定电流值：500mA设定电流值：1500mA最小输入电压最小输出电流最大输入电压最大输出电流调整率最小输入电压最小输出电流最大输入电压最大输出电流调整率第一次13.05508.116.03522.10.84%12.96154816.0915180.89%第二次13.08511.715.96521.90.52%13.04150215.9815570.55%第三次12.92499.615.98516.20.36%13.07150616.1215420.96%电流负载调整率UI=10VI=1A设定电流值：500mA设定电流值：1500mA最小负载电阻最小输出电流最大负载电阻最大输出电流调整率最小负载电阻最小输出电流最大负载电阻最大输出电流调整率第一次15.21155.1860.64%11548514880.98%第二次15.21755.1671.48%11552514471.44%第三次15.09655.0281.29%11576514221.96%4.4效率计算 输入电压输入电流输出电压输出电流效率13.020.7295.4501.3580.781.4828.6801.6350.7314.570.0515.6701.0730.811.5879.6701.8420.7716.080.5675.9851.1280.741.0468.3901.6430.82 上表功率计算是在R=5时，根据效率计算公式h=PO/ PIN，其中PO