系统集成说明书

1、精品中北大学课程设计说明书学生姓名:学 号：学院 :专业 :题目 :welcome精品2015年7月1日welcome精品目录1 课程设计目的 ································12 课程设计内容和要求 ····

2、;·························12.1设计内容 ·······················&#

3、183;·············12.2设计要求 ···································

4、;··13 设计方案及实现情况 ·····························23.1设计方案及论证 ··············

5、3;···················23.1.1 DC-DC主回路拓扑 ···························

6、3;·23.1.2控制方案选择································23.2工作原理及框图 ············

7、3;·····················33.2.1 Boost升压主电路 ·························

8、3;····33.2.2 开机保护电路 ································43.2.3 开关管保护电路 ·········

9、;·······················53.2.4输出滤波和输出过流保护························

10、···53.2.5 KL26主控电路及采集····························63.2.6键盘输入及显示 ·············

11、3;·················73.3效率分析及计算 ······························

12、3;···73.4硬件电路原理图 ··································83.5仿真分析 ·········&

13、#183;···························93.6 PCB 版图设计 ····················

14、;···············9welcome精品3.7系统测试 ································

15、;·····103.7.1 测试使用的仪器 ································103.7.2 测试方法 ········

16、··························103.7.3 测试数据 ······················

17、;············113.7.4指标完成 ····································

18、;114课程设计总结 ·······························12参考文献 ················

19、···················12welcome精品1 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

20、述要求）1、输出电压 U O 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 UOPP 1V （ U 2=18V, UO =36V, IO=2A ）；6、 DC-DC 变换器的效率 70% （U2 =18V, U O =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 ）；

21、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。welcome精品3 设计方案及实现情况3.1设计方案及论证3.1.1 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

22、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 ）LVDECUORL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welcome精品较稳定，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

23、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3.2.1 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（PowerMOSFET ）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

24、计算：UIN2UINLBUOmI OfU O2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/mm 2 ，线径为 d, 则由 J *d 2I L 得 d=0.892 mm, 工作频（ ）2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：welcome精品I （ UOUIN）OCBUOf UO其中， U O 为负载电压变化量，取 20

25、mV,f=20kHz,U O =36V 时,CB=1465F,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 I O RMS 1.13I IND（1D ）代入数据得IO-RMS =2.069 A而电容的损耗2ESR/ 2PCO1I O RMS等效串联电阻ESR 取为 10 m ，代入得 PCO1 =0.0428 W图3主回路3.2.2 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

26、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）welcome精品图 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

27、器。从而关闭电源。输出端串接电流采welcome精品样电阻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L1224f L C1f L2LC代入得 L=215.80H ，取 220 H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

28、电压的测量和显示。PWM 信号占空比 D1UUIN；O当 U2=15V ，UO=36V时，UIN =1.2*U 2 -2V=16V ，最大值 D MAX =0.556 ；当 U2=21V ，UO=30V时， UIN =1.4*U 2-2V=27.4V ，最小值 D MIN =0.087welcome精品系统对于单片机 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

29、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*U 2-2V=19.6V， 信 号 占 空 比D 1-U IN /U O =0.456 ，输入电压有效值IIN =I O / （1-D ）=3.676A ，输出功率 PO =U O *I O=72 W下面计算电路中的损耗P 损耗：Boost 电路中电感的损耗：P 1I2DCRDCRIN1，其中， DCR1 为电感的直流电阻，取为50 m ，代入可得 PDCR

30、1 =0.68 WBoost 电路中开关管的损耗开关损耗：P=0.5*UIN*IIN（t+t）*fSWrf其中， t r 是开关上升时间，为190ns,t f是开关下降时间，为 110ns,f是开关频率，为 20 kHz, 代入可得 P=0.2160 WSW导通损耗PC21.3 RSNS）D （ I IN（ RDSONwelcome精品其中，导通电阻RDSON =77m ，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PDI O VD ，其中，IO=2 A, 取二极管压降 VD 为 0.35 V ，代入可得 P

31、D =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 = P O / （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welcome精品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

32、采用18mil 。（2） 对主回路和控制信号分开覆铜。welcome精品图 9PCB 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。I IN接触隔离整流A电流表 1U1= 220V变压器滤波UV调压器ACIN电压表 1DC-DC变换器I OA电流表2VUORL电压表 2图 10测试连接图we

33、lcome精品3.7.3 测试数据（1 ）电压调整率（测试条件：IO=2A ， UO=36V ）。U2 =15V 时， U O1 =35.98V ；U2=21V 时， U O2 =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 -U O 4 ）/U O3=0.69% 。（3 ）C-DC 转换器效率测试（测试条件： IO=2A ，UO=36V ，U2=18V ）。U IN

34、=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路测试结果输出电压可调范30V-36V实现围最大输出电流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1VPP340mVPP峰值DC-DC 变换器效70%85%87%率输出电压设定和步进 1V ，测量和显示实现，步进可达步进调整电压电流0.1V 。welcome精品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

35、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；(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

36、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 "common.h"#include "include.h"#define NM 5uint16 ad_value5NM;welcome精品uint16 ad_val5=0;uint8 var2=0;int16 a;float ofv,ofc;volatile float lcd_of

37、v,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);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

38、,4,"output_v:");LCD_P8x16Str(0,6,"output_c:");ftm_pwm_init(FTM0, FTM_CH0,30*1000,0);key_init(KEY_MAX);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);welcome精品Ena

39、bleInterrupts;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;i<5;i+)ad_result0i=

40、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;i<5;i+)welcome精品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

41、 = ad_resultik;ad_resultik = temp;for(i=0;i<5;i+)ad_sumi = ad_resulti1 + ad_resulti2 + ad_resulti3; ad_result_tmpi = ad_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;welcome精品for(i = 0;i < NM