系统集成说明书

中北大学中北大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 学生姓名学生姓名 学学 号 号 学学 院院 专专 业业 题题 目目 2015 年 7 月 1 日 目录目录 1 1 课程设计目的课程设计目的 1 1 2 2 课程设计内容和要求课程设计内容和要求 1 1 2 12 1 设计内容设计内容 1 1 2 22 2 设计要求设计要求 1 1 3 3 设计方案及实现情况设计方案及实现情况 1 1 3 13 1 设计方案及论证设计方案及论证 1 1 3 1 13 1 1 DC DCDC DC 主回路拓扑主回路拓扑 1 1 3 1 23 1 2 控制方案选择控制方案选择 2 2 3 23 2 工作原理及框图工作原理及框图 2 2 3 2 13 2 1 BoostBoost 升压主电路升压主电路 2 2 3 2 23 2 2 开机保护电路开机保护电路 4 4 3 2 33 2 3 开关管保护电路开关管保护电路 4 4 3 2 43 2 4 输输出出滤波和输出过流保护滤波和输出过流保护 4 4 3 2 53 2 5 KL26KL26 主控电路及采集主控电路及采集 5 5 3 2 63 2 6 键盘输入及显示键盘输入及显示 5 5 3 33 3 效率分析及计算效率分析及计算 6 6 3 43 4 硬件电路原理图硬件电路原理图 6 6 3 53 5 仿真分析仿真分析 7 7 3 63 6 PCBPCB 版图设计版图设计 8 8 3 73 7 系统测试系统测试 8 8 3 7 13 7 1 测试使用的仪器测试使用的仪器 8 8 3 7 23 7 2 测试方法测试方法 8 8 3 7 33 7 3 测试数据测试数据 8 8 3 7 43 7 4 指标完成指标完成 9 9 4 课程设计总结课程设计总结 9 9 参考文献参考文献 9 9 1 1 课程设计目的课程设计目的 1 学习操作数字电路设计实验开发系统 掌握开关电源的工作原理 2 掌握 C 语言开发设计 熟悉单片机的工作原理 3 掌握基于单片机系统的开发设计 2 2 课程设计内容和要求课程设计内容和要求 2 12 1 设计内容设计内容 设计并制作一个开关稳压电源 输入 220V 交流电 输出 30V 36V 可调直 流电 通过液晶屏显示 2 22 2 设计要求设计要求 基本要求 在电阻负载条件下 使电源满足下述要求 1 输出电压UO可调范围 30V 36V 2 最大输出电流IOmax 2A 3 U2从 15V 变到 21V 时 电压调整率SU 2 IO 2A 4 IO从 0 变到 2A 时 负载调整率SI 5 U2 18V 5 输出噪声纹波电压峰 峰值UOPP 1V U2 18V UO 36V IO 2A 6 DC DC 变换器的效率 70 U2 18V UO 36V IO 2A 发挥部分 1 进一步提高电压调整率 使SU 0 2 IO 2A 2 进一步提高负载调整率 使 SI 0 5 U2 18V 3 提高效率 使效率 85 U2 18V UO 36V IO 2A 4 能对输出电压进行键盘设定和步进调整 同时显示输出电压电流 3 3 设计方案及实现情况设计方案及实现情况 3 1 设计方案及论证设计方案及论证 3 1 13 1 1 DC DCDC DC 主回路拓扑主回路拓扑 方案一 图 1 是间接直流变流电路 结构如图 1 1 所示 可以实现输出端 与输入端的隔离 适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于 1 的情形 但由于采用多次变换 电路中的损耗较大 效率较低 而且结构较为复杂 2 图 1 间接直流电路 方案二 Boost 升压斩波电路 拓扑结构如图 1 2 所示 开关的开通和关 断受外部 PWM 信号控制 电感 L 将交替地存储和释放能量 电感 L 储能后使电 压泵升 而电容 C 可将输出电压保持住 输出电压与输入电压的关系为 UO ton toff 通过改变 PWM 控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化 该电路采取直接直流变流的方式实现升压 电路结构较为简单 损耗较小 效 率较高 如图 2 图 2 boost 升压电路 综合比较 我们选择方案二 3 1 23 1 2 控制方案选择控制方案选择 方案一 利用 PWM 专用芯片产生 PWM 控制信号 此法较易实现 工作较稳 定 但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整 方案二 利用 KL26 单片机产生 PWM 控制信号 让单片机根据反馈信号对 PWM 信号做出相应调整以实现稳压输出 这种方案实现起来较为灵活 可以通 过调试针对本身系统做出配套的优化 但是系统调试比较复杂 我们选择方案二 3 2 工作原理及框图工作原理及框图 3 2 13 2 1 BoostBoost 升压主电路升压主电路 图 3 是 Boost 升压电路包括驱动电路和 Boost 升压基本电路 电力晶体管 GTR 耐 压高 工作频率较低 开关损耗大 电力场效应管 Power MOSFET 开关损耗 小 工作频率较高 从工作频率和降低损耗的角度考虑 选择电力场效应管作 为开关管 IRF540 选择 ESAD85M 009 型肖特基二极管 其导通压降小 通过 1 A 电流时仅为 0 35V 并且恢复时间短 实际使用时为降低导通压降将两个肖特 基二极管并联 E L C UORL VD 3 1 电感值的计算 2 2 OO INOIN B fUmI UUU L 其中 m 是脉动电流与平均电流之比取为 0 25 开关频率 f 20 kHz 输出电 压为 36V 时 LB 527 48 H 取 530 H 电感线径的计算 最大电流 IL为 2 5A 电流密度 J 取 4 A mm2 线径为 d 则由得 d 0 892 mm 工 L I d J 2 2 作频率为 20kHz 需考虑趋肤效应 制作中采取多线并绕方式 既不过流使用 又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小 2 电容的参数计算 OO INOO B UfU UUI C 其中 UO为负载电压变化量 取 20 mV f 20kHz UO 36V 时 CB 1465 F 取为 2000 F 实际电路中用多只电容并联实现 减小电容的串联等效电阻 ESR 起到减小输出电压纹波的作用 更好地实现稳压 3 boost 损耗计算 输出电流有效值 DDII INRMSO 113 1 代入数据得 IO RMS 2 069 A 而电容的损耗 2 2 1 ESRIP RMSOCO 等效串联电阻 ESR 取为 10 m 代入得 PCO1 0 0428 W Llp 1000uF Cout1 Q1 IRF1405 D1 D Schottky 0 087丝 丝 丝 Rtest1 Uin2 GND Uo 2 PWM TEST PWM PWMIN 12V GND 0 1uF Clogic2 GND 12V VCC 1 COM 4 VB 8 HO 7 VS 6 LO 5 IN 2 SD 3 IR2302S SD 10uF Clogic1 12V GND 10 RG1 470uF Cout2 GND 100K RQ GND 104CBB Cout3 104CBB Cout4 a b 图 3 主回路 4 3 2 23 2 2 开机保护电路开机保护电路 在直流输入端串联一支保险丝 250V 5A 从而实现过流保护 反接保护 功能由二极管和保险丝实现 用 NTC 电阻实现了对开机浪涌电流的抑制 当上 电瞬间 电阻很大 从而对其防止浪涌电流产生 如图 4 图 4 开机保护电路 3 2 33 2 3 开关管保护电路开关管保护电路 利用 IR2302 的欠压保护功能 对其电源电压进行检测 当电压达到 200mv 的时候比较器输出高电平 使 IR2302 的 SD 管角接高电平 从而使场效应管严 格工作在非饱和区或截止区 防止场效应管进入饱和区而损坏 为了防止尖峰 电流的产生使芯片误判 我们采用逐波防锁电路 如图 5 图 5 开关管保护电路 3 2 43 2 4 输出滤波和输出过流保护输出滤波和输出过流保护 我们采用电感和电容进行滤波 效果比只使用电容好 我们通过康铜丝采 集电流 当电流超过 2 5A 的时候打开继电器 从而关闭电源 输出端串接电流 GND 4700uF C24VDptotect P6A10 Fuse1 10K Rzhishi LEDzhishiN LEDzhishiP Uin NTC 5D 7 GND Uin2 12V GND 1K Rt2 0 1uF Ct1 Rt1 1K temptest D Zener3 10V a b 12V GND 20K Rup 12V TEST 47K Rjz1 2 2K Rjz2 GND SD 0 1uF Cjz 84 5 6 7 LM393B GND 104 C393 12V 12V 200 Rzb 103 Czb Q2 IRF1405 PWMTEST GNDGND a b 5 采样电阻 RTEST2 材料选用温漂小的康铜丝 电压信号需放大后送给单片机进行 A D 采样 过流故障解除后 系统将自动恢复正常供电状态 为了降低纹波 采用 LC 低通滤波器如图 6 取截止频率 fL 200 Hz 电容取 470 F 由 Cf L L 2 2 4 1 LC fL 2 1 代入得 L 215 80 H 取 220 H 图 6 过流保护电路 3 2 53 2 5 KL26KL26 主控电路及采集主控电路及采集 单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整 PWM 控制信号的占空比 实 现稳压输出 同时 单片机与采样电路相结合 将为系统提供过流保护 过热 保护 过压保护等措施 并实现输出电压 输出电流和输入电压的测量和显示 PWM 信号占空比 O IN U U D 1 当 U2 15V UO 36V 时 UIN 1 2 U2 2V 16V 最大值 DMAX 0 556 当 U2 21V UO 30V 时 UIN 1 4 U2 2V 27 4V 最小值 DMIN 0 087 系统对于单片机 A D 采样精度的要求 题目中最高的精度要求为 0 2 欲 达到这一精度 A D 精度要达到 1 500 即至少为 9 位 A D MP430 内置 A D 为 12 位 只要合理设定测量范围 完全可以达到题目的精度要求 0 09丝丝丝 Rtest2 Uo 8 1 4 3 2LM358A 10K RF 1K RG 12V GND GND 5 1K Rprotect Iotest 104 C358 12V GND Llpf 470uF Clpf1 Uo Uo 2 Uo GND 2 1 4 3 K 1 JQC 3FF12VDC 1ZS QK 8050 DK1 1K RK GND CutDown Uin2 JDQ JDQ 104CBB Clpf2 104CBB Clpf3 a b c 6 3 2 63 2 6 键盘输入及显示键盘输入及显示 分别通过键盘和 LCD 实现数字设定和显示 键盘用来设定和调整输出电压 输出电压 输出电流和输入电压的量值通过 LCD 显示 3 3 效率分析及计算效率分析及计算 U2 18V 输出电压 UO 36V 输出电流 IO 2A DC DC 电路输入电压 UIN 1 2 U2 2V 19 6V 信号占空比 D 1 UIN UO 0 456 输入电压有效值 IIN IO 1 D 3 676A 输出功率 PO UO IO 72 W 下面计算电路中的损耗 P损耗 Boost 电路中电感的损耗 1 2 1 DCRIP INDCR 其中 DCR1为电感的直流电阻 取为 50 m 代入可得 PDCR1 0 68 W Boost 电路中开关管的损耗 开关损耗 PSW 0 5 UIN IIN tr tf f 其中 tr是开关上升时间 为 190ns tf是开关下降时间 为 110ns f 是开 关频率 为 20 kHz 代入可得 PSW 0 2160 W 导通损耗 SNSDSONINC RRIDP 3 1 2 其中 导通电阻 RDSON 77 m 电流感应电阻 RSNS取 0 1 代入得 PC 1 23 W 肖特基二极管的损耗 流过二极管的电流值与输出电流 I0相等 则二极管损耗 其中 DOD VIP IO 2 A 取二极管压降 VD为 0 35 V 代入可得 PD 0 7 W 两只采样电阻上的总损 耗为 0 9 W 综上 电路中的总损耗功率 P损耗 4 5W DC DC 变换器的效率 PO PO P损耗 94 7 3 4 硬件电路原理图硬件电路原理图 图 7 为整个系统的电路原理图 图 7 总电路图 3 53 5 仿真分析仿真分析 图 8 采用 multisim 对主回路仿真 通过示波器查看输出电压 进过比对 和理论值相近 改变信号源的占空比 输出电压发生变化 8 图 8 仿真设计 3 63 6 PCBPCB 版图设计版图设计 图 9 采用 AD11 进行电路板设计 采用手工布线和自动布线相结合设计 对 控制信号进行覆铜 防止大电流干扰 1 电源线宽和地线宽采用 80mil 信号线采用 18mil 2 对主回路和控制信号分开覆铜 图 9 PCB 板 3 7 系统测试系统测试 3 7 13 7 1 测试使用的仪器测试使用的仪器 表 1 列出了测试中所需的仪器和数量 表 1 测试使用的仪器设备 序 号名称 型号 规格数量备注 1FLUKE 15B 万用表4美国福禄克公司 2TDGC 2 接触调压器 0 5KVA 1上海松特电器有限公司 3KENWOOD CS 4125 示波器1带宽 20MHz 3 7 23 7 2 测试方法测试方法 图 10 为整个电路系统的测试点 UO RL U1 220V AC 隔离 变压器 DC DC 变换器 IO 整流 滤波 UIN IIN AA VV 电流表1 电压表1 接触 调压器 电流表2 电压表2 图 10 测试连接图 9 3 7 33 7 3 测试数据测试数据 1 电压调整率 测试条件 IO 2A UO 36V U2 15V 时 UO1 35 98V U2 21V 时 UO2 36 13V 压调整率 SU UO2 UO1 O1 0 42 2 负载调整率 SI 测试 测试条件 U2 18V UO 36V IO 0A 时 UO3 36 29V IO 2A 时 UO4 36 04V 载调整率 SI UO3 UO4 UO3 0 69 3 C DC 转换器效率 测试 测试条件 IO 2A UO 36V U2 18V UIN 19 5V IIN 3 88A UO 36 00V IO 1 975A DC DC 转换器的效率为 93 97 3 7 43 7 4 指标完成指标完成 表 2 为整个系统完成的情况 表 2 试数据与设计指标的比较 测试项目基本要求发挥要求电路测试结果 输出电压可调范 围 30V 36V 实现 最大输出电流 2A 实现 电压调整率 2 0 2 0 1 负载调整率 5 0 5 0 1 输出噪声电压峰 峰值 1VPP340mVPP DC DC 变换器效率 70 85 87 输出电压设定和 步进调整 步进 1V 测量和显示 电压电流 实现 步进可 达 0 1V 4 课程设计总结课程设计总结 本电路结构简单 功能齐全 性能优良 除个别指标外均达到并超过了题 目要求 保护电路完善 使用更安全 使用同步采样技术和多种抗 EMI 技术使 得本电路更加环保 由于时间紧张 任务较为繁重 本电路尚有不足之处 如 输出纹波偏大等 这些都是以后我们努力和改进的方向 改进方法 1 用性能更好的器件 如换用导通电阻更小的电力 MOS 管 采用低阻电容 2 使用软开关技术 进一步减小电力 MOS 管的开关损耗 10 3 采用同步式开关电源的方案 用电力 MOS 管代替肖特基二极管以减小损耗 4 优化软件控制算法 进一步减小电压调整率和负载调整率 5 参考文献参考文献 1 童诗白 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社 2002 2 张建华 数字电子技术 北京 机械工业出版社 2004 3 陈汝全 电子技术常用器件应用手册 北京 机械工业出版社 2005 4 毕满清 电子技术实验与课程设计 北京 机械工业出版社 2005 5 潘永雄 电子线路 CAD 实用教程 西安 西安电子科技大学出版社 2002 附件 附件 源程序 1 功能实现文件 include common h include include h define NM 5 uint16 ad value 5 NM uint16 ad val 5 0 uint8 var 2 0 int16 a float ofv ofc volatile float lcd ofv lcd ofc vint16 out put int32 dp0 0 dm0 0 dp1 0 dm1 0 extern float new val void source init DisableInterrupts NVIC SetPriorityGrouping 0 x3 NVIC SetPriority PIT0 IRQn 0 NVIC SetPriority LPTMR IRQn 1 LCD Init LCD P8x16Str 0 0 set LCD P8x16Str 0 2 out LCD P8x16Str 0 4 output v LCD P8x16Str 0 6 output c ftm pwm init FTM0 FTM CH0 30 1000 0 key init KEY MAX 11 PID init adc init ADC0 SE12 adc init ADC0 SE13 adc init ADC1 SE14 adc init ADC1 SE17 gpio init PTC9 GPO 0 pit init ms PIT0 20 enable irq PIT0 IRQn EnableInterrupts pid t pid void PID init pid Voltage 0 pid SetVoltage 0 0 pid ActualVoltage 0 0 pid err 0 0 pid err last 0 0 pid err next 0 0 pid Kp 26 0 pid Ki 5 3 pid Kd 0 void date get int8 i j k uint16 ad result 5 5 0 uint16 temp 0 ad sum 5 0 AD sum 5 0 ad result tmp 5 0 for i 0 i 5 i ad result 0 i adc ave ADC0 SE12 ADC 10bit 15 ad result 1 i adc ave ADC0 SE13 ADC 10bit 15 ad result 2 i adc ave ADC1 SE14 ADC 10bit 15 ad result 3 i adc ave ADC1 SE17 ADC 10bit 15 for i 0 i 5 i for j 0 j 4 j for k 0 k ad result i k 1 temp ad result i k 1 ad result i k 1 ad result i k ad result i k temp for i 0 i 5 i ad sum i ad result i 1 ad resu