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 30V36V 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：30V36V； 2、最大输出电流IOmax：2A； 3、U2从 15V 变到 21V 时，电压调整率SU2%（IO=2A）； 4、IO从 0 变到 2A 时，负载调整率SI5%（U2=18V）； 5、输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（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SU0.2%（IO=2A） ； 2、进一步提高负载调整率，使 SI0.5%（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=527.48H，取 530H。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=1465F, 取为 2000F，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 470F，由 Cf L L 2 2 4 1 LC fL 2 1 代入得 L=215.80 H，取 220H 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 D1 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 D1- 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 RRIDP3.1 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_value5NM; uint16 ad_val5=0; uint8 var2=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_result55=0; uint16 temp=0,ad_sum5=0,AD_sum5=0,ad_result_tmp5=0; for(i=0;i5;i+) ad_result0i=adc_ave(ADC0_SE12,ADC_10bit,15); ad_result1i=adc_ave(ADC0_SE13,ADC_10bit,15); ad_result2i=adc_ave(ADC1_SE14,ADC_10bit,15); ad_result3i=adc_ave(ADC1_SE17,ADC_10bit,15); for(i=0;i5;i+) for(j=0;j4;j+) for(k=0;k ad_resultik+1) temp = ad_resultik+1; ad_resultik+1 = ad_resultik; ad_resultik = temp; for(i=0;i5;i+) ad_sumi = ad_resulti1 + ad_resulti2 + ad_resulti3; ad_result_