工程实践与科技创新3A.docx
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工程实践与科技创新3A
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摘要:
本实验报告是关于单片机控制DC-DC开关电源系统的设计,介绍了以单片机AVRATmega16、脉宽调制器芯片TL494为核心器件通过控制调节输出PWM波的方法,实现20V~30V直流电源电压输入状态下在5V~10V之内稳定的直流电源电压输出。
报告包括了DC-DC开关电源及其开环闭环控制系统的主要功能,系统的技术指标,调试分析,针对用户操作的详细说明,对双电源并联均流输出的深入扩展研究,心得体会和实物照片等等,包括了与此相关的理论和实践中的各种问题。
关键词:
DC-DC开关电源;开环控制;闭环控制;单片机;均流控制;数模转换
ABSTRACT
ThisreportdescribestheDC-DCsystemcontrolledbysinglechip,includingthedesigntocontrolthePWMwavethroughthechipAVRATmega16,chipTL494andothercircuits,soastogenerateaDCpowersupplyrangingfrom5Vto10Vwhiletheinputvoltagerangingfrom20Vto30V.
ThisreportintroducesfurtherexplanationsofinnerworkingsoftheDC-DCswitchingpowersupply;includingthedesigningandimplementationsofitscontrolsystemandmajorfunctions.Thedesignspecifications,togetherwiththedebuggingandtestingprocess,aswellasuserinstrustionsmanualarealsoattached.
KEYWORDS
DC-DCConvertor;OpenLoopControl;CloseLoopControl;MCU;CurrentEqavilent;A/Dconverter
1.概述
1.1编写说明
本报告为上海交通大学电子工程系学生大三上学期科技创新[5]关于单片机控制DC-DC开关电源系统的设计报告。
本文将介绍以TL494为核心的开关电源系统,利用AVRATmega16单片机实现的对于开关电源的开环系统、基于AVR强大AD采样功能的闭环控制系统,以及同时实现的双电源均流并联输出功能。
本文详细描述了整个系统的结构组成以及软、硬件结构组成、系统功能及技术指标测试、开发工具和系统的调试过程,系统测试结果及有关问题的讨论与研究。
适合具有一定电子技术及单片机知识基础的人员及电子爱好者阅读参考。
1.2名词定义
DC-DC:
输入电压为直流电压,输出也为直流电压的电路;但输出需达到一定的技术指标。
开关电源:
利用现代电力技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。
单片机小系统:
将CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储)、ROM(程序存储)、输入/输出设备(串行口、并行输出口等)集成到一块电路芯片上的芯片系统。
开环控制:
系统的被控制量(输出量)对系统的控制量(输入量)没有影响,即被控制量只能受控制于控制量,而对控制量无反作用的控制。
闭环控制:
基于输入量与反馈量相减的负反馈,对于系统进行的控制。
脉宽调制(PWM):
是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
占空比:
在信号的一个周期内,高电平信号所占的时间比例。
纹波:
输出端呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分量,用峰—峰值表示。
七段显示数码管:
abcdefg七段,通过给某些段加上驱动电压或电流来使这些段发光。
低通滤波器:
滤波器是指在指定频带内,使有效频率信号通过,同时抑制无用频率成分的电路。
低通滤波器是滤除截止频率以上的高频成分,而只保留低频成分的滤波器。
光电隔离:
电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离。
A/D转换:
模数转换,既将一个模拟信号转换成一个数字信号。
1.3硬件开发环境
表1.1硬件开发环境说明表
开发工具
备注
直流稳压电流
为系统供电
数字万用表
测量直流电压
示波器
测量纹波
QBG-3B高频Q表
测量电感
电源引线以及示波器探头
导线类
Protel99SE
查看电路图以及印刷版图
Multisim10
电路仿真
1.4软件开发环境
表1.2软件开发环境说明表
开发工具
运行环境
功能
AVRStudio
WindowsXP
编辑C语言程序,编译程序生成*.hex文件
MicrocontrollerIspSoftware
WindowsXP
将*.hex文件下载到单片机小系统
MicrosoftExcel
WindowsXP
数据记录及处理
1.5缩略语
PWM(pulsewidthmodulation)脉冲宽度调制信号
LPF(lowpassfilter)低通滤波器
DC(directcurrent)直流
AD(anolog,digital)模拟-数字
2.系统总述
2.1系统组成
本系统实现的是降压型DC-DC功能。
具体的讲,本系统将输入为20~30伏特的不稳定直流电压转化为5~10伏可调的稳定直流电压。
整个系统主要由四部分构成,分别为:
DC-DC开关电源,电压控制子系统,电压测量子系统和单片机子系统。
系统组成框图如图2.1所示。
图2.1系统组成示意图[1]
2.1.1DC-DC开关稳压电源模块
图2.2DC-DC开关电源部分结构图[2][3]
2.1.2单片机小系统
图2.3单片机小系统结构图[4]
2.1.3电压控制模块
图2.4电压控制部分结构图[5]
2.1.4电压检测模块
图2.5电压检测部分结构图[6]
2.1.5双电源并联输出模块
图2.6双电源模块输出并联系统[7]
2.2系统的主要功能
2.2.1DC-DC开关电源稳压电源模块
DC-DC开关稳压电源模块可以实现将一个不稳定输入的直流电压(20V~30V)转换为一个稳定度很高的可调直流输出电压(5V~10V)。
该模块以TL494作为核心元件,三极管Tip42作为开关元件,通过周期性地通断开关,控制开关元件的占空比,形成PWM控制器,然后通过整流输出稳定的直流电压。
2.2.2单片机小系统
单片机小系统实现的功能主要是3个方面,分别是用户操作界面、开环电压控制、闭环采样及电压调整控制。
用户界面功能主要是提供人机交互的控制功能,按键控制电源的工作状态、设置电压,并通过数码管显示出来。
开环电压控制中单片机的主要任务是计算设置电压对应的占空比,输出相应占空比的PWM波。
闭环采样及电压调整控制中单片机完成了两个任务,即控制A/D芯片采样并转换成相应的采样电压和根据采样电压调整占空比实现闭环控制。
在双电源并联输出模块中单片机的任务与闭环基本类似,只不过采样的对象为电路中的电流信号而非电压信号,然后通过两路信号的比较来调整占空比来实现均流控制。
2.2.3电压控制模块
电压控制子系统由信号整形、低通有源滤波和信号变换三个模块组成。
该模块可以实现对单片机输出的PWM信号进行整形滤波,将具有相应占空比的PWM信号转化为稳定的可变电压,然后通过光耦合对DC-DC开关稳压电源模块进行控制,从而改变输出电压。
2.2.4电压检测模块
电压检测系统要由信号调理部分电路和ATmega16自带的AD转换器组成。
经过处理的开环输出电压和参考电压一起,通过差分输入模式,输入给ATmega16ADC进行10位AD转换编码,然后输入给单片机并由其进行闭环控制。
2.2.5双电源模块并联输出系统
运用两个DC-DC开关电源互联,采取三路电压采样方案,闭环均流控制的方式对单一的负载实现均流供电的功能,保证两个开关电源不会有电流倒灌。
3.DC-DC开关稳压电源模块的设计
3.1主要功能和设计指标
3.1.1主要功能
降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定20~30V直流电压变换为5~10V稳定可调的直流电压输出。
此模块既可单独工作,也可与电压控制子系统、电压测量子系统连接,实现开环、闭环功能。
单独工作时,用户可以通过调节电压采样支路上滑动变阻器的阻值来调节输出的电压。
3.1.2系统设计指标
表3.1降压型DC-DC开关电源子系统设计指标[2]
项目
指标
输入直流电压
20V~30V
输出直流电压
5V~10V
额定输出电流
1A
限流值
1.1A
电压调整率
<0.5%
电流调整率
1%
输出电压纹波
100mVp-p
效率
65%
截止电流值
1.2A
3.2基本设计原理
图3.1降压型DC-DC开关电源原理图[2]
该子系统的等效电路如图3.1所示。
系统通过PWM波控制三极管的通断,使电路处于导通和断路两种工作状态。
TL494产生的PWM,其波形如图3.2所示:
图3.2TL494输出的PWM波形
当PWM信号为高电平时,三极管导通,电源电压Vin对储能电感L充电,此时由于二极管两端为反向电压,因此处于截止状态,从而导致负载电阻RL两端电压上升。
当PWM信号为低电平时,三极管断开,此时二极管两端变为正向电压,处于导通状态,从而电感通过二极管放电。
使得电感中的电能不断减小,RL两端电压逐渐下降。
当三极管的导通频率足够高时,就能够使负载电阻RL两端输出电压的纹波幅度满足设计要求,从而保持输出电压的稳定。
图3.3开关频率与输出纹波[2]
3.3主要电路和参数设计
3.3.1核心芯片TL494
TL494的内部结构与工作原理如图3.4所示。
Vref经分压后从1IN-端输入误差放大器1(ErrorAmplifier1),输出电压的采样值从1IN+端输入。
误差放大器1将两者进行比较,当采样电压大于基准电压时,其输出端对VA进行充电,使VA的电压不断升高;当采样电压小于基准电压时,VA通过恒流源放电,从而VA的电压不断下降。
而VA的变化会引起PWM比较器(PWMComparator)判决门限的改变,使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波。
图3.4TL494的内部结构图[2]
TL494还另外引入了两个关断条件。
一是DTC端口连接的Dead-TimeControlComparator,可防止开关管常开,保证在1个开关周期里至少有Dead-Time时间是关断的。
另一个是误差放大器2,它能起到输出过流保护的作用,输出电流采样值从2IN+端输入,原理与误差放大器1类似。
3.3.2外围电路设计图
图3.5降压型DC-DC开关电源子系统电路图[3]
3.3.3元件参数列表
表3.2降压型开关子系统元件参数表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
C1
100μF
R3
47kΩ
R10
0.1Ω
C2
0.1μF
R4
1MΩ
R11
5.1kΩ
C3
1000pF
R5
6.8kΩ
R12
0~22kΩ
C4
470μF
R6
5.1kΩ
R13
5.1kΩ
C5
100μF
R7
6.8kΩ
R14
0~1kΩ
R1
390Ω
R8
5.1kΩ
RL
10Ω
R2
51Ω
R9
150Ω
L
0.9mH
3.3.4元件参数设计[3]
(1)工作频率的确定(C3、R7)
开关电源的工作频率(PWM波的频率,即三极管开、关的频率)是由TL494芯片5号管脚上的电容C3和6号管脚上的电阻R7决定的,他们的关系为:
增大工作频率可减小纹波幅度,但同时也会降低效率。
经过反复试验,我们小组最终确定工作频率为
(2)三极管基极电阻R1、R2的选取
适当增加与三极管基极相连的电阻R1、R2的阻值,可降低开关管饱和导通深度,降低开关状态切换速率,可减小在开关瞬间电感漏感产生的涡流引起的开关瞬间噪声,即减小纹波的毛刺,矛盾的是R1、R2的增大会导致系统效率的下降。
因此应该综合考虑毛刺以及效率两方面因素来确定R1、R2的取值。
试验中,只能通过多次尝试决定。
(3)输出电压采样网络的设计
图3.6误差放大器1外围电路分析[3]
由图3.6可以看到输出电压Vout经R11、R12、R13以及R14组成的串联分压网络分压后,从误差放大器1同相输入端输入,并与Vref经R5、R8的分压进行比较,由于放大器两输入端电势差约等于0,所以得到如下等式:
本次实验中电阻R11和R13给定为5.1kΩ。
最初我们选择R5=R8=5.1kΩ,但输出电压无法达到10V,因此将R5的阻值提高到了6.8kΩ。
(4)误差放大器反馈网络的原理
误差放大器反馈网络的参数中,R4决定误差放大器的增益倍数,从而对电压调整率造成影响,而C2和R3组成的串联支路可抑制高频增益,防止误差放大器产生自激振荡。
关于参数的计算并没有较好的方法,只能在实验中不断尝试。
(5)电流采样电阻网络的选取:
图3.7限流保护电路原理图
图3.7说明了系统限流保护的原理,若误差放大器的反相输入端电压值大于或等于正相输入端电压值,系统将进行输出过流保护。
设限流值为I,则电阻网络应满足:
其中I=1.1A,R10=0.1Ω,计算可得R6,R9的电阻值。
3.4典型问题分析
3.4.1纹波的抑制[3]
抑制纹波可采取一下几种措施:
(1)增大储能电感值。
该方法效果不明显,因为电感的取值范围较小,且增大电感值易产生磁饱和现象。
(2)增大开关频率。
此方法在一定程度上可以使三极管开关切换更加频繁,从而显著降低纹波峰峰值。
但若三极管开关过于频繁,就会使得效率显著下降,TL494放出大量热量,从而降低效率。
因此,此方法只能在一定范围内适用,而不能无限制地增大开关频率。
(3)减小开关管饱和导通深度。
适当增大
,可以降低饱和导通深度,但也会降低效率。
同方法
(2)一样,只能在一定程度上有效。
(4)增大滤波电容
。
此方法效果不明显,且电容占用大量空间,是非常不经济的做法。
3.4.2效率的提高
由上述分析可知,效率与频率是一对相互制约的矛盾量,因此抑制纹波的元件参数在对效率的调节也起着至关重要的作用。
将3.1.4.1节所述措施
(2)、(3)的相关参数向相反的方向调节就可提高效率。
从上面的讨论可以看到,纹波与效率从很多角度来看都是一对矛盾的量,一味地追求某项指标很可能会使另一项指标变得很差,因此折中才是全面考虑整个系统性能的最佳方案。
4.电压控制模块的硬件设计
4.1主要功能与设计指标
4.1.1主要功能
电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波,将占空比的变化转化为电压的变化,并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接,将单片机输出的PWM波转化可变电压。
它作为单片机控制输出电压的桥梁,代替了手动调节可变电阻的过程,实现了开环控制。
4.1.2设计指标
输出电压误差绝对值≤0.05V。
4.2基本设计原理
该子系统由基准电源、整形、有源低通滤波与信号隔离变换4个模块组成。
其关系如图4.1所示。
基准电源模块对5V电源进行稳压并分压,输出4V稳定电压作为整型电路的稳压源;整型电路将单片机输出的不稳定的PWM信号整型;有源低通滤波模块将整形后的PWM信号转化为与占空比成正比的直流电流;该直流电流通过信号隔离变换模块与DC-DC开关电源子系统连接,达到控制的目的。
图4.1电压控制子系统设计图
4.3子电路模块和参数设计
4.3.1元件参数列表
表4.1电压控制子系统元件参数列表
元件
元件参数
元件
元件参数
元件
元件参数
R1
10kΩ
R6
30kΩ
C2
1μF
R2
20.51kΩ
R7
30kΩ
C3
30pF
R3
100Ω
R8
100kΩ
R9
100kΩ
R4
10kΩ
C1
1μF
R10
3.9kΩ
R5
15kΩ
4.3.2基准电源模块
4.3.2.1核心器件TL431
图4.2TL431原理图[8]
由图4.2可知,TL431内部有一个2.5V基准源,接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知,只有当R端接近2.5V时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过。
使用时,应使K端电流在1~100mA范围内且VKA在2.5~36V范围内为佳。
4.3.2.2外围电路设计
图4.3基准电压模块设计图[8]
由于TL431正常工作时,R端电压约为2.5V,所以R4,R5阻值应满足
而电阻R3的选取既不能过大,也不能过小。
若R3太大,当输出电流变大时,R3上压降太大,VKA无法保持所需电压,若R3太小,会导致功耗过大,损坏元件。
本实验中取100~150Ω为佳。
4.3.3整型模块
整形电路的结构框图如图4.4所示。
由于在实验室,每台电源的性能不尽相同,且输出的电压也不稳定,这样就导致每次实验可能都需要对程序进行修改,产生不必要的麻烦,而整形电路正是为了克服这种缺点而设计的。
图4.4整型模块结构框图[4]
CD4011是与非门元件,以稳定的4V电压为工作电源,对输入信号进行整型。
R1、R2电阻网络对单片机子系统P1.6引脚输出的PWM信号进行分压,使高电平电压降至4V,故满足关系式:
值得注意的是,经过CD4011后,信号反相,实际占空比=1-原占空比。
4.3.4有源低通滤波模块
图4.5有源低通滤波模块[4]
由于无源滤波器的通带放大倍数及其截止频率都随负载的变化而变化,不能满足实验的要求,因此本次实验采用了有源滤波器。
图4.5为SallenKey二阶滤波器的典型电路,其截止频率为50Hz。
因为单片机输出的PWM信号频率为500Hz,远大于截止频率,故CD4011输出的稳定PWM波通过该滤波器之后只剩下直流分量,其值约为PWM波高电平和占空比的乘积。
如图4.5,R9与C3可防止放大器自激,而R6、R7、C1及C2决定了滤波器的截至频率,一般取R6=R7,C1=C2,可由下式求得:
经实践测定,我们小组的有源滤波器的幅频特性如图4.6所示:
图4.6有源滤波器幅频特性曲线
由于示波器测定精度以及测量复杂度等问题,在频率小于等于2Hz时的数据未能测得,故图4.6数据点从2Hz以后开始,不过缺少这些数据点对于最终的测量结果和分析影响不大。
从图4.6可以看出,我们小组的电压控制模块中有源滤波部分的截止频率约为50Hz,与我们理论设计的值相吻合。
4.3.5信号隔离变换模块
图4.7信号隔离变换模块[4]
该模块以光电耦合器4N25为核心元件,它相当于一个流控电流源,实现了电压控制子系统与DC-DC开关电源子系统的信号变换传递。
如图4.7,4N25将右侧的电压信号Vin传递到左侧负载电路,对R12上流过的电流进行了分流,从而改变输出电压,同时,右侧电压控制子系统的工作不受左侧负载阻抗变化的影响,实现了电气隔离。
4.4相关问题讨论
光耦温漂问题
4N25是一个光电耦合器件,对于我们要求的控制系统与被控系统的电气隔离是很好的,但是在我们的调试过程中,发现这个器件有一个缺点,就是稳定性不够好,受温度影响比较大。
常常在一个温度下测定的占空比与输出电压的关系在另一温度下误差就会变得非常大,有时甚至能达到0.1V。
对于如何解决这个问题我们没有进行深入研究,只是按照科创讲座上主讲老师的建议,在板子工作到一定的温度后在进行测量,同时在测定的时候尽可能的保持温度稳定。
5.电压测量模块的硬件设计
5.1主要功能和设计指标
5.1.1主要功能
电压测量模块通过对DC-DC开关电源模块的输出电压进行采样,并通过单片机ADC采样、模数转换后,与标准数字量进行比较,由单片机调节控制信号控制整个系统稳定趋向于目标电压,从而使系统输出用户使用按键所设定的5~10V电压,实现系统的闭环控制。
与开环控制相比,闭环控制可适应DC-DC开关电源子系统工作状态在一定程度内的变化,如可调电阻阻值变化,工作温度变化等。
5.1.2设计指标
1.输出电压控制精度0.05V
2.调偏R14,输出电压仍可回到原值。
(控制精度0.05V)
5.2原理和逻辑框图
电压测量模块由基准电压产生电路和电压采样分压电路组成(如图5.1),ATmega16内部预置了多个ADC转换模块,本模块需要自己搭建的外围电路很少。
只需要针对单片机AD采样的要求,对输出信号进行适当的信号调理。
在本电路实现中,我们对输出采样电压通过分压网络进行分压,并通过TL431为AD转换提供基准电压值。
通过单片机不断地将转换后编码所对应的电压值与预期电压值进行比较,并控制输出PWM信号的占空比大小,使得实际电压逐步接近预期电压,实现单片机对输出电压的闭环测量、实时监控,实现对于电压的更精确的控制。
图5.1a电压检测部分整体结构图[6]
图5.1b电压检测部分整体结构图(信号调理部分放大)
5.3模块设计和参数选取
5.3.1电路原理图及元件参数选取
根据单片机的Datasheet,A/D芯片有两种方案进行A/D转换,一种是单端输入,另一种是差分输入。
为了改善编码空间的使用效率,用足10位ADC编码空间,我们选择差分输入的方式。
电压检测模块电路如图5.2所示。
图5.2电压检测模块电路原理图
DC-DC开关稳压电源模块的输出电压(5-10V)作为电压检测模块的输入,经过分压R4和R5构成的分压网络后作为一个输出,另一个输出信号是由TL431产生的一个稳定的参考电压。
前者送入单片机ADC0(V+)管脚,而后者送入单片机ADC1(V-)管脚。
各元件参数见表5.1所示。
表5.1电压检测模块元件参数
R1
R4
R2
R5
R3
单片机AD转换的计算公式如下:
式中VA为采样电压(VPOS输入),VM为基准电压(VNEG输入),GAIN为选定的增益因子,VREF为参考电压(2.56V)。
结果用二进制补码表示,从0x200(十进制-512)到0x1FF(十进制+511)。
我们选择GAIN为1,且VNEG为VPOS变化范围内的中点电压(即),所以,于是我们取VPOSMAX=5V,VPOSMIN=2.5V,VNEG=3.75V。
这就要求把DC-DC开关稳压电源模块输出的5-10V的直流电压经过分压变2.5-5V的直流电压,而且TL431及其外围电路要产生一个3.75V的稳定参考电压。
5.3.2电压采样分压电路
基准电压即AD转换的负差分为2.5V,采用GAIN=1的转换方式,则输出电压在5~10V范围内采取分压的形式使输出电压范围,即AD转换的正差分电压变化范围为2.5~5V。
等距离分压要求R4=R5,故选取R4=R5=10kΩ。
图5.3电压采样分压电路
5.3.3基准电压产生电路的设计
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电
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