科技创新5-第128组设计报告

800800地邮800800地邮摘要：本文档是单片机控制的DC-DC开关电源电路系统的设计报告。整个系统由DC-DC开关电源，明了各子系统的设计方法以及电路参数的选取，硬件的工作原理和软件的编程思想，系统，使用说明，实验心得，实物等。：ThisisthedesignreportofaDC-DCswitchingpowersupplysystemcontrolledbymicrocontroller.Thewholesystem,whichconsistsofaDC-DCswitchingpowersupplysubsystem,amicrocontrollersubsystem,avoltagecontrolsubsystemandavoltagesamplingsystem, plishesopenloopandcloseloopcontroloftheoutputvoltage.Thisreportdetailsinthedesignmethodofeverysubsystem,hardwareprinciplesandsoftwarealgorithm,alongwiththeresultofthetestofthesystem,user’sinstructions,switchingpowersupply;;microcontroller;og-digital第PAGE1第PAGE1 概 编写说 名词定 缩略 系统总 系统组 DC-DC开关电源子系 电压检测子系 单片机子系 电压控制子系 系统的主要功 DC-DC开关电源子系统的硬件设 主要功 系统设计指标 设计原理 设计方 主要元 电路设 元件参数选 纹波的控 电压控制子系统的硬件设 主要功 设计原理与方 整形模块的设计原理与方 有源LPF模块的设计原理与方 信号变换与模块的设计原理与方 温度对电压控制子系统的影 电压测量子系统的硬件设计 主要功 设计原理及方 基准电压模块的设计原理与方 信号变换与模块的设计原理与方 A/D转换模块的设计原理与方 单片机子系统及软件设 升压型DC-DC开关电源的硬件设 主要功 系统设计指标 设计原理 设计方 主要元 电路设 元件参数选 致 参考文 附录 开发环 硬件开 软件开 附录 软件程序附录 系统操作说明 附录 测试和分 测试项目和方法 DC-DC降压型开关电源部 开环控制部 闭环控制部 测试的资 测试设备与仪 测试环 及分 DC-DC部分的开环控制功能闭环控制功能升压型DC-DC部分的分 附录 课程学习心得和意见建 第PAGE1第PAGE1概编写说本文档是DC-DC开关电源及其控制系统的设计报告。报告详细阐述了电路系统各部分的工作原理和设计方法，系统及有关问题的探讨。本文适合具有对DC-DC开关电源知识和单片单片机是指一个集成在一块上的完整计算机系统，包括CPU、内存、内部和外部总线系统缩略DCdirectcurrentADog-digital模拟-数pulsewidthmodulation脉冲宽度调制信号LPFlowpassfilter系统系统组本DC-DC开关电源及控制系统如图2-1所示。它由DC-DC开关电源子系统、电压检测子系统、20-DC输

5-10V可调1ADC输

变换变换

A-整整

2-1系统组成示意图DC-DC开关电源子系DC-DC20-30VDC5-10VDC电压。它的元件是TL494DC-DC开关电源子系统的输出电压经管光电耦合器件、变换，得到的电压由AD0804进AD转换，转换得到的二进制编码传送给单片机子系统供闭环控制时使用据使用者设定的电压，单片机子系统输出占空比一定 ；在闭环模式状态下，根据使用者设的电压，单片机结合电压检测系统的二进制代码对实际输出电压进行判断，输出占空比可调的，DC-DC开关电源子系统的输出电压与设定电压一致。电压控制子系统对单片机子系统输出的进行整形，滤除交流分量，通过光电耦合器件将电DC-DC开关电源子系统，使输出电压改变。系统的主要本系统的主要功能是根据使用者的要求，在单片机的控制下，将20V~30VC电压转换成5V~10VC的按键选择开环或闭环工作模式以及输出电压。第PAGE第PAGE4DC-DC开关电源子系统的硬件设主要功系统设计指标5V~10V:<=1%:1%100mV:ms级50%~70%限流值：1.1A左右设计原理DC-DC3-13-1R1R2为取样网络，取样电压VS和基传电源提供的电压VREF加到误差放大器的两个输入端，误差放大器的输出反映他们之间的差值电压vv，接到电压比较第PAGE5第PAGE5Ivv时，比较器输出高电平，开关管饱和导通，时间为ton；当vv时，比较器输出低电平，开关管饱和截止，时间为toff。当VSVREF时，误差放大器输出静态电压IV

R1R2

on若某原因使Vo升高，相应的，VSVREF，则误差放大器电压输出增大，致使管导通时间减小，结 了Vo升高，达到稳压的目的。反之亦然。3-1DC-DC设计方本次实验采用TI公司的TL494作为DC-DC开关电源的元件，它的内部结构如图3-2。该内部有两个误差比较器，可分别对输出电压和输出电流进行控制。振荡器的频率由外接的电3-2TL494内部结构示意图3-3图3-3TL494管脚1：[1IN+]2：[1IN-]第一个运放的反相输入 第二个三极管的发射 13：[OUTPUT DC-DC开关电源子系统的电路如图3-43-4DC-DCC3R7RC1/R3*C7。TIP42为开关三级管，TL4948、11引脚输出，控制TIP42的关断。二级管D为肖特基二极管，作为续流二极管。R10为了第PAGE第PAGE8R11、R12、R13、R14R12使整个分压网络控制输出5-10V之间。R11=5.1KΩ//20KR12=0~20KΩC5=100μF+470μF=570μFR1R2R1=300Ω，R2=100ΩC3和R7决定开关频率，选取R3=820Ω，C3=0.01μF，振荡频率f Hz=122103HzR3 820

R4与R5决定误差放大器的增益G，取R4=1MΩR5=5.1KΩ，G 196 第PAGE10第PAGE10R5和R8共同决定 1号管脚的电压V1R5R85V=2.5V

，取R8=R5=5.1KΩR6R9R10R6=8.2KΩ，R9=240Ω，使15V15R6R95V=0.142V纹波的控R1=180Ω，R2=51Ω，发现输出电压中毛刺过大，毛刺的峰峰值甚至是三角波R1R2R1=300Ω，R2=100Ω，毛刺几乎完全磁饱和状态。所以我们没有增大电感。另外，C5取值增大可以减小纹波。当C5=100μF，输入电压30V，输出电压10V时，纹波峰峰值为116mV，当C5=100μF+470μF时，纹波峰峰值降为60mV，电压控制子系统的硬件设主要功接收单片机输出的占空比可调的信号，对其进行处理后去控制DC-DC的输出电压由于单片机的供电电源电压不稳定，因此单片机输出的信号是占空比可调的不稳定5V方波信号，故首先对此波形进行整形得到稳定的4V信号。而对稳定信号，进行有源LPF处理后就得到大小为4*V的直流电压信号。直流电压信号再经过信号变换与环节就能转换为制DC-DC输出的直流电流信号，而且此环节实现了控制单元（单片机电路）和被控电路（开关电源电路）之间的电气。设计原理与整个子系统分为整形、有源LPF和信号变换与三个模块，各个模块间的连接见图4-14-1电压控制子系统各模块的连接示意图整形模块的功能是将高电平不稳定的5V信号转换为高电平稳定的4V信号。整个电路X所示。4-2整形电路结构图在整形电路中，以TL431为器件的基准电源电路输出恒定的4V电源，作为4011的供电电源。单片机输出的S 1通过4011后反转成S 2，其中S 2的高电平为稳定的4V。本次科创采用TL431作为基准电源电路的元件。其管脚分布及符号表示如图4-3第PAGE第3TL431的实际管脚分布以及符号表示1：[Reference]2：[Anode]3：[Cathode]图4-4是以TL431为器件的基准电源电路的电路图4-4基准电源电路在基准电路中，Input5V电源，而VKA4V。由于

2.5VIrefR1VKA1410.6R1=6kΩ，R2=10kΩ

有源LPF模块的设计原理与方第PAGE17第PAGE17LPF的目的是将脉冲信号的直流电压分量取出来而尽量抑止其他频率分量通过。使用LPFη以VH为高电平的信号经过有源LPF后可以得到幅值为η*VHLPF是不能将所有交流分量都滤掉的，但只要选取合适的电路参数，就可以使得低通滤波器的截止本次科创使用的是单位增益SALLEN-KEY结构低通滤波器，电路图如图4-5所示

图4-5单位增益SALLEN-KEY结构低通滤波器示意图Uo(s)Up(s)Un(s)1U(s)

U(s)pR2

Ui(s)UMR

UM(s)UpR

UM(s)Un(s)

Uo(s)

C2，U RRCCs2

R)Cs

Uo(jw)

121 1，U( RRCCw2(RR)Cjw 121 可视其为一个二阶低通滤波器，其截止频率为f 为高电平 信号，在fc足够小的情况下在近似认为输出端Vctl是幅值为VH的直流电压信号11

19.42Hz可以近似认为此处的有源LPF从信号中提出了直流分量信号变换与模块的设计原理与方利用光电耦合器可以实现信号的变换与光电耦合器主要由光源（LED）4-6所示。通用的光耦是把一个发光二极管LED和一个光敏三极管VT封装在一个完全与外界光线的外壳中。当电流流过发光二极管LED时，产生一个光源，光强度取决于激励电流大小，此光照射到封装在一起的光敏4-6本模块使用的元件为4N25，其管脚分布如图4-7所示4-74N25的管脚分布图1:ANDOE]2:[CATHODE]3:[N.C.]4:[EMITTER5:[COLLECTOR]6:[BASE]整个光耦转换模块的电路如图4-8所示。其中左边四个电阻组成的拓扑分压网络是DC-DC开关4-8光耦及拓扑分压网络电路图DC-DC开关电源子系统控制输出电压的改变。由于本系统采用的是非线性光耦，因此流过LED的电流与光敏三极管产生电流并不成线形比例关系。而且当流过LED的激励电流过小时，将很难产生有效光强驱动光敏三极管产生电流；当流过LED的激励电流过大时，产生的光强将饱和，光敏三极管产生电流不再有较大改变。因此要正确选Rctl，确保系统工作正常。Rctl1.48kΩ，Rctl2kΩ时，20%-80%的占空比不能完5V-10V的输出电压，只能在大约7V-10V的范围内变化，而且很大一部分占空比对应的输出电压相同，说明LED上的电流使得光敏三极管工作于截止区或者饱和区。若Rctl的取值大约为1kΩ，则20%-80%的占空比只能覆盖大约5V-7V的输出电压，效果也不好。实4-8R11，R12，R13，R144-8A，B两端向右视入的等效电阻。经过反复尝试，Rctl1.48kΩ，R115.1KΩ20KΩ=4.06KΩ，28%-52%的占空比能控制输出电压为温度对电压控制子系统的影几次对系统的开环测试发现，对于占空比相同的，CC开关电源子系统的输出电压存5V4.75V4.9。56V附近的漂移尤其严重。下面分析造成这种现象的原因。首先是环境温度。我们小组第一次进行开环控制占空比的测定是在十一月初，当时气温较高，没有开空调。不久以后，气温骤降，开空调，使得室内气温比十一月初未开空调时还要高，而且每天室内气温还有差别。这就导致系统工作的起始环境温度不同，使系统中的元件所处的工作状态不一样，表现出的性能也有所区别。第二是水泥电阻发热造成局部温度升高。TL494和电路元件会受到温度升高的影响。光耦是控制输出电压的关键走，放置在远离CDC开关电源子系统的地方，温度漂移依然存在。这说明电路中还有别的因素造成温度漂移。限于所学知识，我们没有进行更深入的分析。令我们感到欣喜的是，实验中发现，在系统上电十以后，输出电压漂移较小。于是我们在这种状态下重新进行占空比与输出电压关系的测定，情况得到一定程度改善。第PAGE第PAGE19电压测量子系统的硬件设主要功DC-DCA/D转换就能得到二进制DC-DC输出电压的信息反馈给单片机。设计原理及整个子系统主要由信号变换与模块、A/D转换模块组成，另有为这两个模块提供基准电压X。5-1电压测量子系统各模块的连接示意图用以TL431为元件的基准电源电路，可以将不很稳定的5V电源转变成稳定的基准电压。得到的基准电压提供给信号变换及模块和A/D转换模块中必须使用稳定电压的部分，可以保证基准电源电路的元件是TL431，其管脚分布见图5-2第PAGE20第2TL431的实际管脚分布以及符号表示1：[Reference]2：[Anode]3：[Cathode]图5-2是以TL431为器件的基准电源电路的电路图5-3基准电源电路在基准电路中，Input5V电源，而VKA4V。由于

2.5VIrefR1VKA1410.6R1=6kΩ，R2=10kΩ

信号变换与模块的设计原理与方DC-DCA/D转换电路的物理隔断。而由光电耦合器的输入输出特性，DC-DC输出电压与此部分的输出之间存在一一对应关系。第PAGE21第PAGE21此模块的元件为4N25。其管脚分布见图5-35-34N25的管脚分布图1:[ANDOE]阳2:[CATHODE]3:[N.C.]4:[EMITTER5:[COLLECTOR]6:[BASE]图5-4是以4N25为元件的信号变换与元件在图中，Vo转换为电流后可以使发光二极管产生光源，此光源使得光敏三极管产生集电流电Ic，于是有VA=基准电压IRc图5-4信号变换与电路R1的主要作用是使保证流过发光二极管的电流在光耦正常工作的范围内，这里选取R1为15k。R2ADC0804模拟电压正端的电压范围，原则上应使ADC0804R110k。电路焊接好后，用万用表测量，当从VO4.99V10.02V时，VA3.538V2.340VA/D转换模块的设计原理与方利用A/D转换并选取合适的电路，可以将信号与变换模块的输出转变为二进制代此次科创选择了ADC0804作为此模块的元件。其管脚分布如图5-5所第PAGE23第5ADC0804的管脚1:CS2:RD]3:WR4:[CLKIN时钟输入5:INTR]7:VIN8:[AGND模拟9:VREF/210[DGND数字11~18:DB0~DB7]19:[CLKR]20[V+]图5-6X给出了ADC0804与单片机的连接示意图，本模块即是在该连接图的基础上补全电其中Vcc接工作电压5V，AGND和DGND分别是模拟地和数字地。本所需要的时钟脉冲可以由外界提供，也可以由本身产生。当由外界提供时，可用CPU的时钟脉冲经分频后接CLKIN端，当由本身产生时，需外接电阻和电容，产生的脉冲频率f=1/1.1RC ADC0804CSWR脚发出一个负脉冲，启动进行模数转换，完成转换后INTR脚变为低电平，再通过向RD端发一个负脉冲下面对ADC0804的电路分“A”、“D”两侧进行介绍图5-6ADC0804与单片机的连接及电路示意图ADC0804的“A”侧电5-7ADC0804的“A”侧的应用电路图VA∈[VAmin,VAmaxVIN（-）<≈VAmin且-VIN（-

Vref<≈1A/D得到的二进制代码处于正常范围之内。ADC0804的“D”侧电路设第PAGE第PAGE255-8ADC0804的“D”侧的应用电路图ADC0804通过总线方式与单片机微控制器相连，当CSWR冲，启动进行模数转换，完成转换后INTR脚变为低电平，再通过向RD端发一个负脉冲INTRAD转换数值的信号。而是在单片机向ADC0804发出片选信号一定时间后直接转换好的数据，以达到节省数据口的使用，简化图5-7中，设基准电压为

。由于测量结果VA的变化范围是2.340V-3.538V。取VIN(2.2V。由VIN(

R3

1

410.818。取R

R4=39kΩ

我们编写AD转换数值的小程序，把数值显示在单片机小系统的数码管上。发现图5-4中Vo第PAGE30第PAGE305V10V时，ADE6H0FH。转换覆盖的代码范围很大。Vo每变化0.1V，十六进制代码变化约为4H此外，所需要的脉冲信号由外界提供，电阻的电容均是按图5-6中的参数选取，则可计 f

1.110103

Hz60.6kHz单片机子系统及软件设升压型DC-DC开关电源的硬件设主要功系统设计指标电压调整率：0.5设计原理--ε7-1DC-DC如图7-1所示，在开关三极管T1导通期间，为储能电感L充电；当开关三极管T1转为截止期L将感生出图示中εVin极性相同，叠加后的VoVin大。所以，可以实现升压输出的效果。T1RLC4、C5来供给。电容的储能有限，持续供给时间不能太长。所以，T1的开关频率不能过低（周期不能过长），（导通）设计方本部分的元件为TL431，其内部介绍及管脚定义如图7-2图7-2TL494管脚1：[1IN+] 13：[OUTPUT 7-3DC-DC电路图R11=3.9kΩR1R2R1=300Ω，R2=100ΩC3和R7决定开关频率，选取R3=820Ω，C3=0.01μF，振荡频率f Hz=83103HzR3 12103R4R5GR4=1MΩR5=5.1KΩ，GR4

100R5和R8共同决定 1号管脚的电压V1R5R85V=2.5V

，取R8=R5=10KΩ，R6R9R10R6=5.1KΩ，R9=150Ω，使15V15R6R95V=0.143V致帮助我们理清设计思路。然后要感谢中的谷晓晨、黄少军、诸勤敏三位老师给与的现场指导，使我们在实验中遇到问题时得到及时的解决。最后还要感谢盛杰，李凯等同学，他们曾和我们小组讨论设计方法，设计经验。这次科创的顺利完成离参考文[1]交通大学电子工程系，科技创新[5]课程任务要求[2]交通大学电子工程系，科技创新[5]系列讲座电子线路非线性部分（第四版），谢嘉奎TL494Datasheet，TexasTL431Datasheet,Motorola,4n25Datasheet, efunken,ADC0804Datasheet,intersil,hef4011bpDatasheet,Philips,交通大学电子工程系，升压DC-DC资料，交通大学电子工程系，科技创新[5]设计作品测试方法和评分方法附录 开发环硬件开DF1731SB3A，电源引线TektronixTDS系列，示波器探头VictorVC97软件开附录 软件程序[建议采用小字体和小行距，高密度排版，以节约纸张附录 系统操作说明[本部分要准备让专业知识不很精通的一般操作人员看，最好图文并茂，直观易懂附录 测试和分测试项目和方法DC-DC降压型开关电源部13-1DC-DC测试方法或最低输出5.0V；最高输出输入30.0V±0.1V；输出10.0V±0.1V；TDS系列带宽示波器，探头X10，Y向50mV输入30.0V±0.1V；输出输入电流、输出电压，负载以输出10.0V±0.1V；输入20.0V±0.1V

13-2测试方法或输出电压控制精度（10分）设点电压30.0V±0.1V；开始测试前可给予10分钟开始测试时，任意指定设点电压设点电压13-3测试条精度（10分）设点电压A[1]30.0V±0.1V；10分钟开始测试时，任意指定记录实际输出的3调偏R14，重做指定电压30秒设点电压B[1]设点电压C[1]的精度（10分）设点电压A设点电压B设点电压C测试的资DF1731SB3A，电源引线TektronixTDS系列，示波器探头VictorVC97空调DC-DC部分的

13-4DC-DC记开环控制功能

13-5记电压控制电压电压电压9.98V-闭环控制功能

13-6记4.93V-电压A2电压B27.60V电压C210.00V升压型DC-DC部分的输入电压为14V，人工调节电位器，输出电压变化范围是13.6V-26.1V输入电压为14V，人工调节电位器至输出电压为17.8V。将输入电压调整为9V，输出电压变17.816.1V。电压调整率

1009.55输入电压为14V，人工调节电位器至输出电压为17.9V。纹波峰峰值为20.8mV，直流电源电0.25A，效率 100%91.5%。14首先对DC-DC模块的进行分