低纹波直流稳压电源

1、2014 年全国大学生电子设计竞赛H 题 低纹波直流稳压电源【专科组专科组】2014 年年 9 月月 6 日日I摘摘 要要本低纹波直流稳压电源主要设计共分三大部分：开关稳压模块及反馈模块、线性稳压及采样模块、控制系统。控制系统包括液晶显示、键盘输入、单片机。以单片机为核心，在单片机中进行信号的处理及控制，用液晶显示出需要显示的值，开关稳压模块及反馈模块由 TL494、IR2110、AD820 等模块及电路组成，线性稳压及采样模块由 LM358、MAX4173、AD623AN、ACS712 等模块电路组成，这样的设计可以使整个系统容易满足设计的要求。关键词：直流稳压、采样、单片机关键词：直流稳压

2、、采样、单片机 ripple dc regulated power supply is mainly design is divided into three parts: a switching module and feedback module, linear regulator and sampling module, the control system. Control system includes a liquid crystal display, keyboard input, single chip microcomputer. With the single chip p

3、rocessor as the core, in the single chip microcomputer for signal processing and control, with the need to display the value of the liquid crystal display (LCD), a switching module and feedback module by TL494, IR2110, AD820 modules and circuit, linear regulator and sampling module by LM358, MAX4173

4、, AD623AN, ACS712 module circuit, this design can make the whole system is easy to meet the requirements of design. Keywords:Keywords: dcdc voltagevoltage regulator,regulator, sampling,sampling, singlesingle chipchip microcomputermicrocomputer1目目 录录1 系统方案系统方案.21.1 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块系统的论证与选择系统的论证

5、与选择.21.2 线性稳压及采样模块线性稳压及采样模块的论证与选择的论证与选择.31.3 控制控制系统的论证与选择系统的论证与选择.32 单元电路设计单元电路设计.42.1 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块.42.1.1 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块原理图原理图.42.1.2 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块原理分析原理分析.42.2 线性稳压及采样模块线性稳压及采样模块.52.2.1 线性稳压及采样模块线性稳压及采样模块原理图原理图.52.2.2 线性稳压及采样模块线性稳压及采样模块分析分析.52.3 控制控制系统系统.52.3.1 控制控制原理图原理

6、图.52.3.2 控制控制原理分析原理分析.63 系统软件设计系统软件设计.63.1 主程序流程图主程序流程图.73.2 显示流程图显示流程图.83.3 DA 采集采集流程图流程图.94 测试方案与测试结果测试方案与测试结果.94.1 测试条件与仪器测试条件与仪器.94.2 测试方法测试方法.94.3 测试结果及分析测试结果及分析.10附录附录 1：PCB 图图.12附录附录 2：源程序：源程序.1421 系统方案系统方案本系统主要由开关稳压模块及反馈模块、线性稳压及采样模块、控制系统三部分。，下面分别论证这 3 个模块的选择。 1.1开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块的论证与选择的

7、论证与选择方案一：Buck-Boost电路。此电路由Buck变换器后串一个Boost变换器，经过等效简化而得，可以降压和升压。此电路特点是结构简单，控制方便；可实现升降压，但当增加流过电感等元件的电流时，元件会应电流过大，出现效率低和发热等问题。方案二：新型Buck-Boost电路。新颖的Buck-Boost电路-Boost-Interleaved Buck-Boost变换器(BoIBB)。此电路有两个独立控制的开关器件，可使电路分别工作在Buck模式和Boost模式。这种拓扑不仅能实现升降压，而且可以减小开关压力，还可以限制浪涌电流的大小。但是该电路控制复杂，输入电流和输出电压波纹较大。方案

8、三：Cuk电路。该电路是根据Boost电路和Buck电路的组合进行研究变换后得到的一个电路。该电路只有一个开关，控制简单，导通比可大于0.5。在输入和输出之间由一电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。相比Buck-Boost电路，该电路具备以下突出优点：电路输入、输出电流连续，没有脉动，纹波很小，不会造成较强的电磁干扰；输出电压稳定，纹波小；具有良好的调压特性，占空比在01之间变动时，变压比在零到正无穷之间变化；与带输入输出滤波器的Buck-Boost变换器、输入滤波器的Buck变换器、带输出滤波器的Boost变换器相比，元件较少，功能较强，无需另加辅助电源板，等优点。鉴于上面分析，本设

9、计选用方案三。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点是中小功率变换装置中驱动器的首选。 AD820 是一块精密、低功耗、FET 输入运算放大器，可以采用 5V 至 36V 单电源或2.5V 至18V 双电源供电。根据系统的要求及实际的运用，由上面的三个主要元件组成开关稳压模块及反馈模块，可以比较合理满足实验过程中所需要的实验条件。31.2 线性稳压及采

10、样模块的论证与选择线性稳压及采样模块的论证与选择方案一：低压差稳压电路图 1 低压差稳压电路采用 PNP 型功率管作调整管，并且不需要驱动管。可大大降低输入-输出压差。满载时输入-输出压差的典型值小于 500mV，轻载时仅为 1050mV。但低压差线性稳压器有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流 Id 较大。满载时若 PNP 管的 值为 1520 倍，则 LDO 的 Id(5%7%)Io。由它产生的功耗会限制稳压器效率的进一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。方案二：准低压差集成稳压电路图 2 准低压差集成稳压电路它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-

11、输出压差低的优点。但其容量可比低压差稳压电路用得小，对电容的等效串联电阻(ESR)要求较低。4方案三：超低压差稳压电路图 3 超低压差稳压电路采用 P 沟道功率场效应管 MOSFET 来代替 PNP 型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管(VD)。P 沟道 MOSFET 属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流。综合以上三种方案，选择方案三。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式

12、，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。它在电路中应用于线性稳压模块。MAX4173、AD623AN 应用于采样模块，用来采样数据发给单片机处理、控制，它们一起组成比较可靠的采样电路，对整个系统一定的作用。1.3 控制系统控制系统的论证与选择的论证与选择（1）单片机选择：方案一：单片机选择使用 AT89C51。与 MCS-51 兼容，4K 字节可编程闪烁存储器。全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定，128x8 位内部 RAM，32 可编程 I/O 线，两个 16 位定时器/计数器方案二：单

13、片机选择使用用 STC89C5。一个时钟/机器周期 8051，超强加密，高速，高可靠，低功耗，强抗静电，强抗干扰。选择方案：因为 ST89C5A 可以将时钟可以提高 12 倍，读写速度快。节约系统的反应时间，让系统更加高效。方案选择：方案二。（2）显示部分：方案一：LCD1602A 液晶屏，其内部的字符发生存储器已经存储了 160 个不同的点阵字符图形。输入电压为 5V。5方案二：LCD12864 液晶屏，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（16X16 点阵） 、128 个字符（8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（GDRAM） 。逻辑工作电压(VDD)：4.55.5V

14、。选择方案：因为本题只需要显示稳压电源的输出功率，显示内容不多，相比较而言，12864 功耗就太大，并且 12864 价格相对较贵，不划算。方案选择：方案一。2 单元电路设计单元电路设计2.1 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块 2.1.1 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块原理图原理图图 5、关稳压模块及反馈模块原理图2.1.2 开关稳压模块及反馈模块开关稳压模块及反馈模块原理分析原理分析该电路由 TL431 提供 2.5V 的基准电压，采用 P 沟道功率场效应管 MOSFET 来代替 PNP 型功率管作为调整管，MOSFET 本身还带保护二极管(VD)。R4，C3 组成

15、积分电路延缓跳变电压。C1，C2，C5，C6 起滤波作用。采用 P 沟道功率场效应管 MOSFET 来代替 PNP 型功率管作为调整管，MOSFET 本身还带保护二极管(VD)。P 沟道 MOSFET 属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流62.2 线性稳压及采样模块2.2.1 线性稳压及采样模块原理图图 6、线性稳压及采样模块原理图2.2.2 线性稳压及采样模块线性稳压及采样模块原理分析原理分析MAX 4173 的内部结构是由 A1 和 A2 是两个运算放大器, 构成差动输入

16、, 这样可以增强抗干扰能力, 提高小电流信号的测量准确度;Q1 和 Q2 是两个三极管;COMP 是一比较器;Rsence 是电流采样电阻,采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。2.3 控制系统 2.3.1 控制系统电路原理图7图 7、控制系统电路原理图2.3.2 控制系统电路原理分析控制系统电路原理分析液晶显示器件 LCD 的显示原理是：在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信

17、号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。3 系统软件设计系统软件设计3、1 主程序流程图主程序流程图开始初始化是否到20ms？显示是否到50ms？检测电压、电流值是否否是8图 11 主程序流程图3.2 显示流程图显示流程图开始显示电流值显示电压值显示功率返回图 12 显示流程图3.3 电压电流检测流程图电压电流检测流程图 返回电压检测电流检测图 13 电压电流检测流程图94 测试方案与测试结果测试方案与测试结果4.1 测试条件与仪器测试条件与仪器测试条件：检查多次，硬件电路与系统原理图完全相

18、同，硬件电路无虚焊。各模块均正常工作。道示波器、数字万用表、大功率滑动变阻器、计算机、USB 转串口通信线。4.2 测试方法测试方法首先，根据总体设计方案图进行电路的连接，并检查电路无误后，开通电源。其次，开通数字万用表和示波器，并确定它们正常工作。最后，触摸触摸点，让电压步进增加或减小，观察液晶显示的读数和示波器的读数并进行比较，列表。 （读数包含相应的电流和电压值）多次进行触摸，观察系统的稳定性。负载调整率的定义为电源在输出负载电流变化时，其提供稳定输出电压的能力。所需的设备和连接方式与测电源调整率相似，唯一不同的是需要精密的电流表和与待测电源的输出串联。测试步骤如下：待测电源在正常输入电

19、压及负载情况下热机稳定后，测量正常负载下的输出电压值，再分别于低(Min)、高(Max)负载下，测量并记录其输出电压值(分别为 Vmax 与 Vmin)。负载调整率通常以正常的固定输入电压下，由负载电流变化所造成电源输出电压偏差率的百分比。待测电源在正常输入电压和负载情况下热机稳定后，分别于 Min（低）Nomal(通常)，和 Max(高)输入电压下测量并记录其输出电压值。电源调整率通常在一正常之固定负载(Nommal Load)下，看具输入电压变化所造成电源输出电压偏差率(deviation)的百分比。4.3 测试结果及分析测试结果及分析表 1基本要求基本要求 1 1 所测得电路数据所测得电

20、路数据输出电压负载效率5V10基本要求基本要求 2 2 所测得电路数据所测得电路数据RL1010101010输入电压0V5V10V15V20V输出电压20MV5.01V10.01V15.01V20.01V电压调整率符合符合符合符合符合基本要求基本要求 3 3 所测得电路数据所测得电路数据输出电压负载输出纹波5V1020mv10发挥部分发挥部分 1 1 所测得电路数据所测得电路数据输出电压负载效率5V10发挥部分发挥部分 2 2 所测得电路数据所测得电路数据输出电压负载输出纹波5V1015mv发挥部分发挥部分 3 3 所测得电路数据所测得电路数据输出电压0V5V10V15V20V显示电压04.9

21、8V10.01V14.99V19.98V误差00.020.010.010.02综上所述，本设计达到设计要求。11附录附录 1：原理图：原理图1213附录附录 2：PCB 图图1415附录附录 3：源程序：源程序#include#includeADS7841Driver.h#includeTLV5618Driver.h#include keyboard.h#include lcd1602.hsbit Yellow = P23;sbit Green = P24;uint DA_hou = 5000;/后级线性放大系数uint DA_qian= 5396;/后级线性放大系数void delay_50

22、ms(uint t)uchar j;for(;t0;t-)for(j=6248;j0;j-);void LCDdispAD(uchar ADDR, uint ADSdata, uchar Disp_num)uchar temp;if(Disp_num =4)write_com(ADDR); temp = ADSdata%10000/1000;temp = temp + 0 x30;write_date(temp );temp = ADSdata%1000/100;temp = temp + 0 x30;write_date( temp );temp = ADSdata%100/10;temp

23、= temp + 0 x30;write_date( temp );16temp = ADSdata%10;temp = temp + 0 x30;write_date( temp );if(Disp_num =5)write_com(ADDR); temp = ADSdata/10000;temp = temp + 0 x30;write_date(temp );temp = ADSdata%10000/1000;temp = temp + 0 x30;write_date(temp );temp = ADSdata%1000/100;temp = temp + 0 x30;write_da

24、te( temp );temp = ADSdata%100/10;temp = temp + 0 x30;write_date( temp );temp = ADSdata%10;temp = temp + 0 x30;write_date( temp );main()long AD_data;uchar keyval, i, feedback_flag = 0, f_i;uchar MagData5, Magcount;17uint MagV, MagVtemp, fbtemp;uint tiaozheng,V_M_filter_val, I_M_filter_val;uint tiaozh

25、engxielv = 0;uchar guoliu = 0;long AD_temp, V_M_filter, I_M_filter;delay_50ms(1000);MagV = 1000;/初始化lcd_ini();write_com(0 x80);delayus(1);write_date(U);delayus(1);write_com(0 x86);delayus(1);write_date(m);delayus(1);write_date(V);delayus(1);write_com(0 x89);delayus(1);write_date(I);delayus(1);write_

26、com(0 x80+14);delayus(1);write_date(m);delayus(1);write_date(A);TLV5618_W_mv(0, 0);/调节基准delay_50ms(2);TLV5618_W_mv(1, 0);/调节基准delay_50ms(2);i =0;f_i = 0;V_M_filter_val=0;V_M_filter=0;18I_M_filter_val=0;I_M_filter=0;while(1) /f_i +;AD_data = ads7841_W_R(0);/通道 0AD_data = AD_data*100;/电流系数AD_data = AD

27、_data / 193;I_M_filter = I_M_filter + AD_data;/电流累加if(f_i=20)I_M_filter_val = I_M_filter / 20;I_M_filter = 0;LCDdispAD(0 x80+10, I_M_filter_val , 4);/显示输出电流 Io if(I_M_filter_val=1994)&(guoliu=1)/过流保护write_com(0 xC0);write_date(I);write_date(o);write_date( );write_date(t);write_date(o);write_date

28、(o);write_date( );write_date(L);write_date(a);write_date(r);write_date(g);write_date(e);write_date(!);write_date(!);Yellow = 0;TLV5618_W_mv(0, 0);/调节后级线性稳压TLV5618_W_mv(1, 0);/调节 DCDc 前级while(1)19keyval = ScanKeyRead();keyval = KeyValOpe(keyval);if (keyval=0)/软件反馈按键write_com(0 xC0);write_date( );writ

29、e_date(o);write_date(u);write_date(t);write_date(p);write_date(u);write_date(t);write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );delay(10000);write_com(0 xC0);write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_da

30、te( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );write_date( );/ 恢复输出if(MagV2000)DA_hou = 4920;else20DA_hou = 5000;AD_temp = MagV;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp = AD_temp/DA_hou;TLV5618_W_mv(0, 0);/调节后级线性稳压AD_temp = MagV+100;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp =

31、 AD_temp/DA_qian;TLV5618_W_mv(1, 0);/调节 DCDc 前级Yellow = 1;I_M_filter_val = 0;break;/AD_data = ads7841_W_R(1);/通道 1AD_data = AD_data*5;/电压放大系数V_M_filter = V_M_filter + AD_data;/电压累加if(f_i=20)V_M_filter_val = V_M_filter / 20;V_M_filter = 0;if(V_M_filter_valtiaozheng)/大于设置值fbtemp = V_M_filter_val - tia

32、ozheng;if(fbtemp50)LCDdispAD(0 x81, tiaozheng+40 , 5);/显示输出电压 VoelseLCDdispAD(0 x81, V_M_filter_val , 5);/显示输出电压 Voelse if(V_M_filter_val50)LCDdispAD(0 x81, tiaozheng-40 , 5);/显示输出电压 VoelseLCDdispAD(0 x81, V_M_filter_val , 5);/显示输出电压 VoelseLCDdispAD(0 x81, V_M_filter_val , 5);/显示输出电压 Vof_i = 0;i+;if

33、 (i = 20)i = 0;if (feedback_flag=1)write_com(0 xC0+15);delayus(1);write_date(F);elsewrite_com(0 xC0+15);delayus(1);write_date( );if (feedback_flag=1)if(V_M_filter_val300)*/)/电流变大，输出电压下降22fbtemp = tiaozheng - V_M_filter_val;/差值if(fbtemp40)tiaozheng = tiaozheng;AD_temp = tiaozheng;AD_temp = AD_temp*10

34、00;MagVtemp = AD_temp/DA_hou;V_M_filter_val = V_M_filter_val + fbtemp/2;/取一半偏差tiaozhengxielv = (long)(V_M_filter_val)*1000 / MagVtemp; /重新计算斜率MagVtemp = AD_temp/tiaozhengxielv;TLV5618_W_mv(0, MagVtemp);/调节后级线性稳压if(V_M_filter_valtiaozheng)/*&(I_M_filter_val300)*/)/输出电压变大fbtemp =V_M_filter_val - t

35、iaozheng;/差值if(fbtemp40)tiaozheng = tiaozheng;AD_temp = tiaozheng;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp = AD_temp/DA_hou;V_M_filter_val = V_M_filter_val - fbtemp/2;/取一半偏差tiaozhengxielv = (long)(V_M_filter_val)*1000 / MagVtemp; /重新计算斜率MagVtemp = AD_temp/tiaozhengxielv;TLV5618_W_mv(0, MagVtemp);/调节后级线性稳压23A

36、D_data = ads7841_W_R(2);/通道 2AD_data = ads7841_W_R(3);/通道 3keyval = ScanKeyRead();keyval = KeyValOpe(keyval);if (keyval=15)/过流保护if(guoliu = 1)guoliu = 0;Green = 1;elseguoliu = 1;Green = 0;if (keyval=10)/步进+50mVif(MagV15000)&(MagV12500)&(MagV10000)&(MagV7500)&(MagV5000)&(MagV=0)&a

37、mp;(MagV2000)DA_hou = 4920;elseDA_hou = 5000;tiaozheng = MagV;AD_temp = MagV;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp = AD_temp/DA_hou;TLV5618_W_mv(0, MagVtemp);/调节后级线性稳压AD_temp = MagV+100;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp = AD_temp/DA_qian;TLV5618_W_mv(1, MagVtemp);/调节 DCDc 前级LCDdispAD(0 xc0, MagV , 5);/显示输出电

38、压 Voif (keyval=11)/步进-50mvif(MagV=50)MagV = MagV - 50;/MagV 为设置电压值/MagV25if(MagV15000)&(MagV12500)&(MagV10000)&(MagV7500)&(MagV5000)&(MagV=0)&(MagV2000)DA_hou = 4920;elseDA_hou = 5000;tiaozheng = MagV;AD_temp = MagV;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp = AD_temp/DA_hou;TLV5618_W_m

39、v(0, MagVtemp);/调节后级线性稳压AD_temp = MagV+100;AD_temp = AD_temp*1000;MagVtemp = AD_temp/DA_qian;TLV5618_W_mv(1, MagVtemp);/调节 DCDc 前级26LCDdispAD(0 xc0, MagV , 5);/显示输出电压 Voif (keyval=12)/设置输出电压Magcount=0;MagData0=0;MagData1=0;MagData2=0;MagData3=0;MagData4=0;/清除之前的显示write_com(0 x80+0 x40);/地址 0 第一行write_date( );/在液晶上显示字符write_date( );/在液晶上显示字符write_date( );/