系统集成说明书

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书   学生姓名:学 号：学 院:专 业:题 目:      2015 年 7 月 1 日目录1 课程设计目的12 课程设计内容和要求12.1 设计内容12.2 设计要求13 设计方案及实现情况13.1 设计方案及论证13.1.1 DC-DC主回路拓扑13.1.2 控制方案选择23.2 工作原理及框图23.2.1 Boost升压主电路2开机保护电路4开关管保护电路43.2.4 输出滤波和输出过流保护43.2.5 KL26主控电路及采集53.2.6 键盘输入及显示53.3 效率分析及计

2、算63.4 硬件电路原理图63.5 仿真分析73.6 PCB版图设计83.7 系统测试8测试使用的仪器8测试方法8测试数据83.7.4 指标完成94 课程设计总结9参考文献91 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 课程设计内容和要求 2.1 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。2.2 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

3、：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 设计方案及实现情况3.1 设计方案及论证 3.1

4、.1 DC-DC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。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，

5、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。3.1.2 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 Boost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（Powe

6、r 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。（1） 电感值的计算： 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，

7、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：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：输出电流有效值代入数据得 IO-RMS=2.069 A而电容的损耗 等效串联电阻ESR取为10 m，代入得PCO1=0.0428 W图 3 主回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

8、，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 3.2.3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3.2.4 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。输出端串接电流采样电阻RTEST2，材料选用温漂

9、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 代入得L=215.80 H，取220H图 6 过流保护电路3.2.5 KL26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 ； 当U2=15V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=16V， 最大值DMAX=0.55

10、6；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。3.2.6 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（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，

11、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： ，其中，DCR1为电感的直流电阻，取为50 m，代入可得PDCR1=0.68 WBoost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 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

12、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，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=4.5WDC-DC变换器的效率= PO /（PO+P损耗）=94%3.4 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3.5 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。图8仿真设计3.6 PCB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

13、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3.7.1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20MHz3.7.2测试方法图10 为整个电路系统的测试点。图10 测试连接图3.7.3测试数据（1）电压调整率（测试条件：IO=2A，UO=36V）。U2=15V时，UO1=

14、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%。3.7.4 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

15、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20.2%0.1%负载调整率50.5%0.1%输出噪声电压峰峰值1VPP340mVPPDC-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 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

16、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；(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 （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：源程序：1、功能实现文件#include &q

17、uot;common.h"#include "include.h"#define NM 5uint16 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(0x3); NV

18、IC_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); PID_init(); a

19、dc_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.er

20、r_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;i<5;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)

21、; ad_result3i=adc_ave(ADC1_SE17,ADC_10bit,15); for(i=0;i<5;i+) for(j=0;j<4;j+) for(k=0;k<4-j;k+) if(ad_resultik > ad_resultik+1) temp = ad_resultik+1; ad_resultik+1 = ad_resultik; ad_resultik = temp; for(i=0;i<5;i+) ad_sumi = ad_resulti1 + ad_resulti2 + ad_resulti3; ad_result_tmpi = a

22、d_sumi / 3; for(i = 0;i < NM-1;i +) ad_value0i = ad_value0i + 1; ad_value1i = ad_value1i + 1; ad_value2i = ad_value2i + 1; ad_value3i = ad_value3i + 1; ad_value4i = ad_value4i + 1; for(i=0;i<5;i+) ad_valueiNM-1=ad_result_tmpi; for(i = 0;i < NM;i +) AD_sum0 += ad_value0i; AD_sum1 += ad_value

23、1i; AD_sum2 += ad_value2i; AD_sum3 += ad_value3i; AD_sum4 += ad_value4i; for(i=0;i<5;i+) ad_vali = AD_sumi / NM; AD_sumi = 0; void date_analyse() dp0 = ad_val0; dm0 = ad_val1; dp1 = ad_val2; dm1 = ad_val3; ofc = (float)(dm0-dp0)/1024.0*3.23/0.050; ofv = (float)(dm1-dp1)/1024.0*3.23*7.790+17.96; lcd_ofv=ofv; lcd_ofc=ofc; float voltage_pid(float voltage) uint8 index; pid.ActualVoltage = ofv; pid.SetVoltage=voltage; pid.err=pid.SetVoltage-pid.ActualVoltage; float incrementVoltage=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err-2*pid.err