开关稳压电源(E题).doc

07年全国大学生电子设计竞赛电子科技大学成都学院获奖队伍论文开关稳压电源（E题）摘 要本设计采用可调直流电平与三角波比较输出PWM波，控制功率开关管HUF75652G3，与铁氧体电感构成BOOST拓扑DCDC升压主回路。采用C8051F020单片机作为主控制器，利用其内部自带的AD完成对输出电压、电流的检测并通过DA控制PWM波产生模块完成对输出电压值的设定。输出电压的稳定则由软件反馈控制自制PWM发生器输出脉宽变化实现。单片机检测电流并实现过流保护，电流值正常后控制主电路恢复工作。系统采用ZLG7290控制的键盘进行输入控制，采用12864点阵的LCD作为输出显示，操作灵活，界面友好。经测试，系统效率达90，电压调整率小于0.2%，负载调整率小于0.5%，其他各项指标也都满足题目最高要求。关键词：PWM产生，BOOST， C8051F020，软件反馈一 系统核心方案论证1.1 DC-DC主回路拓扑 由题意，输出电压最小值为30V，Uin最大值为212V，略小于30V，能判断DC-DC部分可做成升压模块。 方案一：采用电压型推挽方式加正激变压器方式升压。升压容易实现，但控制不好会使两个开关管占空比不一致，造成单管发烫，影响效率；或死区时间达不到要求，有烧毁开关管的危险，且引入隔离变压器还会对系统及制作带来负担。方案二：BOOST型DC-DC升压方式，如图1。使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。图1 BOOST升压方案选择：根据题目要求，最大功率为70W，属于中小功率范围，可以不采用隔离变压器，故折衷考虑，采用较为简洁的方案二。1.2 控制方案1.2.1 DC-DC模块控制方案方案一：采用集成的开关电源控制芯片，外围器件少，PWM波形精确，性能良好，但由于集成度高，功能较为固定，扩展性不强。方案二：采用可调电平与可调三角波比较的方式产生PWM波，模块元件较多，但调节范围宽，可移植性好，扩展能力强，与单片机搭配，对系统的控制更为方便。方案选择：题目要求苛刻，需要宽范围调节，故选方案二，较为灵活。1.2.2 反馈控制方案 方案一：采用硬件反馈的方式。采样电压与基准在误差放大器中比较，产生直流电平改善输出PWM波的占空比以稳定输出电压，电路简单，容易实现，但由于硬件反馈灵敏，容易造成环路增益的不稳定，产生自激，输出纹波变大，效率下降。试验后发现，要想精确控制，调节困难。 方案二： 采用软件反馈的模式。单片机对输出电压采样，与设定电压对比后，由DA输出控制电平调节PWM波，对输出电压进行控制，还可进行电流采样，实现过流保护与输出电压电流显示。此方案需要大量的软件调试，但反馈稳定，不会造成系统自激。缺点是反馈调节速度较慢。 方案选择：根据题目要求，硬件反馈容易自激，可能会带来效率的下降与系统的不稳定，权衡下选用方案二。1.2.3 数字控制方案方案一：采用通用89S52单片机作为系统的控制核心。因为其通用性，很容易找到相关资料，使用容易，但其处理速度不够快，且需要外加AD、DA，增加系统功耗，并会增加不稳定性。方案二：采用8051内核的单片机C8051F020，编程容易，速度快，片内内带AD、DA，可以轻松完成对输出电压，电流的检测，并与电源管理模块搭配控制输出电压的步进，完成对系统的过流保护与重启。方案选择：从高效，稳定，简洁的角度出发，我们选用方案二。1.3 提高效率的方法方案一：对MOSFET采用零电压开启，关断的方式，避免开关管在硬开关条件下的过大损耗，从而大大提高效率。方案二：在电路设计时精益求精，选择合适的开关管与续流二极管等器件，注意减少电感的铜损与铁损，并注意绕制电感的方法，减小磁芯损耗。在不操作键盘的情况下，关闭LCD显示以节能，从细微处出发提高系统效率。方案选择：从题目及选择的DC-DC主回路拓扑出发，尽量做到方案一与方案二都可以采纳并运用的设计中，所以采用两种方案结合的方式提高效率。二 核心电路设计与参数计算2.1 主回路电路设计及参数计算-VCC主回路电路框图如图2所示：Uin储能电感L滤波MOSFETPWM产生软件反馈单片机VCCPWM输出 图2 主回路框图2.1.1 器件的选取MOSFET是开关电源里的核心器件，为了达到效率的要求，应尽量选取导通电阻小，漏极开关时间短的器件。折衷考虑，我们选择HUF75652G3，其主要参数为VDSS =100V，ID = 75A，RDS =8m，Qg =341nC，满足题目要求。续流二极管的选取也比较严格，肖特基导通压降小，损耗小，是理想的选择，但系统中不排除会有高于100V的冲击电压出现，这样就会发生击穿，故我们选取大功率快速恢复二极管RYRG8060作为我们的续流二极管，其主要参数为：trr=85ns，IF(AV)=80A，VRRM=600V，VF=0.9V，满足要求。储能电感是BOOST升压拓扑的心脏，对感量，磁芯的选取都有严格的要求，设计中采用PQ3230铁氧体磁芯，PQ型具有最佳的体积与辐射表面和线圈窗口面积之比。因磁芯损耗正比于磁芯体积，而散热能力正比于辐射表面，这些磁芯在给定输出功率下具有最小的温升，对提升效率大有好处，且EMI较小。还便于绕制。2.1.2 电路设计与主要参数计算根据开关管导通时间与经验判断，选择40K的开关频率，这样开关损耗不会很大，纹波不会很大，储能电感感量适中。根据题目条件， （1）设计输出额定电流为2A，则根据BOOST电路原理易知流过电感器平均电流IL为3.39A,根据公式（2），使系统在输出电流40IL以上时保持电流连续模式，设二极管及后级滤波电感上压降为1V，以输入为21V时，计算储能电感如下：151uH （2）取30uH余量，电感实取值为181uH。采用频率特性好的铁氧体PQ3230绕制，使用线径为0.51mm的漆包线三股并绕，满两层后磨磁隙至181uH。下面讨论PWM发生模块的设计。原理框图如图3所示，具体电路见附件。PWM波比较器积分电路可调电平 图3 PWM产生原理 通过数字芯片74HC04产生能提供很宽电流，且波形陡峭的40K方波，经过由放大器OPA2353构成的积分电路后，生成三角波，与可调的直流电平经过LM311比较后，得到波形良好的PWM波。PWM波可在反馈网络的控制下稳定及设定，以此稳压和调压。由于主电源为正电源，但模块需要一组负电源，所以用电源集成芯片MC34063构成负电源。 在本设计中，反馈网络是实现关键参数的重要组成部分，原理框图如图4：单片机对电压，电流采样输出稳定输出电压，设置电压值，并实现过流保护通过DA输出电压调节PWM 图4 反馈环路单片机通过内部AD对输出电压值进行采样，判断其与设定值的大小，从而调节PWM波发生器中与三角波比较的直流电平大小，控制其稳定在设定值的范围内；同时对系统输出电流进行检测，发现其超过设定的保护值大小时，将直流电平快速置高，从而关断MOSFET，当检测到电流小于保护值时，将直流电平复位，从而开启系统输出。电压，电流值均可通过LCD显示。电流检测通过检测两只并联的0.51康铜丝线绕精密电阻上的电压实现，当电阻上电压超过0.6375V时，单片机即刻开启保护功能。且反馈线均采用屏蔽线以避免干扰。以下对反馈控制字做一个说明。设采样电压为a，单片机设定输出电压为b，DA输出电压为c，当a在b12个字的范围输出，c不对PWM进行控制；当a超过该范围，c线性上升或下降以使输出满足要求（101个控制字对应1V）。经反复调试，当电压分压网络电压比为17时，采样电压与单片机内部AD最为匹配，取样电阻为600。2.2 数字设定及显示部分设计系统采用单片机C8051F020作为控制核心，利用ZLG7290做键盘控制，方便实现对键盘的管理，LCD采用12864点阵，界面以全中文显示，与键盘配合，实现菜单式操作，只用7个键便可完成所有功能的设定。实时，同时显示当前系统输出电压，电流值，并提供菜单转换。2.3 效率的分析及计算系统的损耗主要来至于开关管，储能电感以及续流二极管。2.3.1 开关管损耗消耗在MOSFET内部的损耗有导通损耗与开关损耗，分别由公式（3），（4）给出。 (3) (4)根据题目条件，在满载下开关管总损耗为（3）（4）2.63W2.3.2 续流管损耗经测试，续流管在2A下导通电压为0.7V，易知其损耗为0.35W。2.3.3 电感磁芯损耗 经查表，PQ3230型铁氧体磁芯在开关频率为50K，磁通为200mT下损耗为6W，但本设计工作在非饱和状态下，满载情况下估算为4W的功耗。2.3.4 满载下效率的计算综上，忽略铜损，总损耗为6.98W。得到满载下效率为90的估算三 主程序流程图 源程序由附件给出，主程序流程图如第6页图5。四 测试结论与创新4.1 测试结果与改进经测试，系统满载下效率达90，除电压调整率与负载调整率以外的各项指标均达到题目要求。但软件反馈速度较慢，在时间充裕的情况下，应改进为速度更快的硬件反馈，并注意不要引起自激。详细测试报告见附件。4.2 发挥与创新作品除满足题目的基本要求与发挥部分以外，电压可调范围从30V-36V输出扩展到30V-40V，且步进值大小可设置，为提高效率，加入了LCD静默模式，当一定时间内不使用系统的数字控制功能时，LCD能自动关断，以节约电能。开始AD采样电压和电流键值处理子程序判断是否按键查询是否到关屏幕时间YNNY关屏幕初始化单片机（时钟，AD,DA，键盘及显示）判断电压是否在规定范围内判断是否过流调整输出关断输出NYYN读取设定的参数图5 主程序流程图五 附件附件一：测试报告附件二：电路原理图附件三：重要源程序附件一：测试报告测试仪器列举：4位半数字万用表VC97（因为学校没有5位半数字万用表），YB4340C 绿杨牌示波器，安德利500W单相自耦调压器。说明：因时间限制，设计测试表格没有完全进行测试，只是选择值进行测试一、 输出电压范围测试测试方法1：固定负载，在Uin为18V的情况下由键盘设置输出电压，从30V36V以1V步进，测试输出电压Uo。设置电压（单位V）实测电压Uo 30 30.32 3131.253232.133333.083434.063535.243636.38测试方法2：由键盘设置输出电压，从30V36V以1V步进，调整负载使电流在每个电压值下保持2A，测试输出电压Uo 。设置电压（单位V）实测电压Uo 30 313233343536测试结论：经测试，设定值能够很好的与实测值吻合，达到题目要求设定输出电压的要求。二 电压调整率测试测试方法：U2为18V的条件下，由键盘设置输出电压Uo，从30V36V以1V步进，在每一电压值下调节单相自耦调压器，使U2从15V到21V以1V的步进值变化，同时调整负载使输出电流达到2A，测量输出电压Uo ，并计算电压调整率SU 。1、 设定Uo 30V U2 (V)实测Uo （V） 调整率 152336% 1625.8526%1727.7622%1829.8417%1931.8711%2033.646.5%2135.591.1%2、 设定Uo 31V U2 (V)实测Uo （V） 调整率 15 1617181920213、 设定Uo 32VU2 (V)实测Uo （V） 调整率 15 1617181920214、 设定Uo 33VU2 (V)实测Uo （V） 调整率 15 1617181920215、 设定Uo 34VU2 (V)实测Uo （V） 调整率 15 1617181920216、 设定Uo 35VU2 (V)实测Uo （V） 调整率 15 1617181920217、 设定Uo 36VU2 (V)实测Uo （V） 调整率 15 161718192021测试结论：经过以上测试，发现系统在某些情况下能够超过题目所给的要求，但在一些情况下没有满足题目的要求，说明利用软件进行反馈的方式还有待提高。二、 负载调整率测试测试方法：U2 18V 时，由键盘设置输出电压Uo，从30V36V以1V步进，在其中每一电压值下，调整负载大小，让输出电流从0到2A以0.5A为步进值变化，测试输出的实际电压Uo，并计算其负载调整率。1、设定Uo 30V IO (A)实测Uo （V） 调整率 0.5131.65.3%1.530.872.9%229.641.2%2、 设定Uo 31V IO (A)实测Uo （V） 调整率 0.511.523、 设定Uo 32IO (A)实测Uo （V） 调整率 0.511.52 4、设定Uo 33V IO (A)实测Uo （V） 调整率 0.511.525、 设定Uo 34V IO (A)实测Uo （V） 调整率 0.511.526、 设定Uo 35VIO (A)实测Uo （V） 调整率 0.511.527、 设定Uo 36VIO (A)实测Uo （V） 调整率 0.511.52 测试结论：经过以上测试，发现系统在很多情况下能够超过题目所给的要求，但在一些情况下没有满足题目的要求，说明利用软件进行反馈的方式还有待提高。三、 效率测量调整 Uo 36V，调整负载使IO 2A。测得Uin= 24.53V Iin= 2.26 A 所以90%四 完成情况列表基本要求完成情况输出电压UO可调范围：30V36V完成。可调上线增加至40V最大输出电流IOmax：2A完成。U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%（IO=2A）能够达到IO从0变到2A时，负载调整率SI5%（U2=18V）在一定电流与电压时能够达到输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）完成。且UOPP0.6VDC-DC变换器的效率70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）完成。效率可达90具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A完成。动作迅速。发挥部分完成情况进一步提高电压调整率，使SU0.2%（IO=2A）勉强达到。进一步提高负载调整率，使SI0.5%（U2=18V）勉强达到进一步提高效率，使85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）完成。效率可达90排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态完成。能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。完成。且步进值可以自由设定。其他增加了LCD静默模式，以减小系统消耗。步进值可设定。输出可调电压范围增大。没使用电源管理芯片。附件三 重要源程序一 主程序#include#include#includelcdplay.hsfr16 DAC0 = 0xd2;sfr16 Adcda = 0xBE; /ADC0H和ADC0L；sfr16 ADC0GT = 0xc4;sfr16 ADC0LT = 0xc6;#define psb P4|=0x10 /p4.4#define npsb P4&=0xefextern unsigned char bufferv;extern unsigned char buffera;extern bit setp;extern code float aqst;extern unsigned int resultv; unsigned int resultv1; unsigned int resulta1; unsigned char gg = 0;unsigned char pt = 0;unsigned int sum = 0;code float aat = 2.3651;void xbr(void);void sysclk(void);void chgkey(void);unsigned int adcgetr(unsigned int chanel);void itochar(unsigned int res,unsigned char *pb);void adc0_cfg()AMX0CF = 0x00;AMX0SL = 0x00;/选择通道0ADC0CF = 0x40; / 转换时钟最高，增益为1ADC0CN = 0xc0; / 向AD0BUSY写1启动转换，数据右对齐/EIE2 |= 0x02;/允许ADC0转换结束中断，中断号为15；/*void T3Config()/T3只有自动重装初值定时器方式。/*TMR3CN格式为位7是TF3:T3溢出标志，位2是TR3：(0)禁止T3(1)允许T3；位1是T3M：(0)T3用系统时钟12分频(1)使用系统时钟。位0是T3XCLK：(0)T3用T3M定义的时钟源(1)时钟源为外部震荡输入8分频。其它位未用。*/*TMR3CN=0x02;/使用系统时钟计数。/给定时器赋初值TMR3L=0x00;TMR3H=0x00;/重载初值TMR3RLL=0x00;TMR3RLH=0x00;EIE2&=0xfe;/开定时器TMR3CN|=0x04; /为TMR3CN&=0xfb;关定时器。 */ void xbr()XBR0|=0x00;P3MDOUT=0x00;P3IF=0x00; /p3.6中断下降沿触发P74OUT = 0xf3; /P5口为开漏方式。P0MDOUT=0xff;XBR2 &=0x7f;XBR2|=0x40; void sysclk()OSCXCN=0x67;OSCICN=0x08; /使用外部时钟unsigned int vv = 0;unsigned int tt = 0;void main(void) unsigned int i,j; unsigned char midle; unsigned int damid;WDTCN=0xDE;WDTCN=0xAD;/禁止看门狗REF0CN = 0x03;DAC0CN = 0x80;/输出改变发生在写DAC0Hsysclk();xbr();adc0_cfg();DAC0L = 0x58;DAC0H = 0x0b;/T3Config();npsb;startLCD();/EIE2 |= 0x10; /开EX6 中断；EA = 1;while(1)if(P3IF&0x40) = 0x40)sum = 0;chgkey();elsegg = 0; /*显示自动关闭*/ if(sum = 200)&(pt = 0) pt = 1; psb ; for(i=0;i 50)&(pt = 0) sum = sum + 1; resultv1 = adcgetr(0x00)-10; /采回来的值可能要进行休整/ resultv1 = resultv1 + (resultv1/99);/* if(resultv1 3500) resultv1 = resultv1 - 580; */ if( 78 resultv1 & resultv1 = (resultv+12) vv = vv + 4; damid = resultv + vv; midle = damid 8;DAC0L = damid;DAC0H = midle; else vv = 0; if(resultv1 8;DAC0L = damid;DAC0H = midle;else tt = 0;if(damid = 4000) tt = tt - 4; vv = vv - 4; resultv1 = (resultv1+20)/100)+1; itochar(resultv1,bufferv); resulta1 = adcgetr(0x01)-10;resulta1 = (resulta1 * aat)+33;/*resulta1 = resulta1 + (resulta1/99);if(resulta1 3000) resulta1 = resul