降压型 DC-DC 开关电源及其控制、反馈电路的设计 摘 要: 本文分模块详细阐述了降压型 DC-DC 开关电源及其控制、反馈电路的设计,可实现 20~30V 输入 5~10V 输出,开/闭环控制误差范围均在±0.05V 以内。该系统以 TL494 为核心,单片 机通过输出 PWM 信号控制开关三极管的通断,从而达到控制输出电压的目的,而 ADC 则对输出 信号进行转换并反馈给单片机分析处理,形成闭环系统。 关键词:开关电源,单片机,闭环控制,自动拟合,低通滤波器, 模数转换 ABSTRACT This Paper particularly presents the design of each module of voltage-decrease switch mode DC-DC convertor with its control and feedback circuits. It has an input voltage of 20~30V and an output of 5~10V, while the errors of the opened-loop and closed-loop control are both restricted within ±0.05V. This type of power supply uses TL494 as its core element. The MCS dominates the connection and disconnection of the switch audion through the output of PWM signal, in order to control the output voltage. Moreover, the ADC converts the output signal and feeds back to MCS, which can then analyse and deal with it. KEYWORDS Switch Mode Power Supply, MCS, Closed-Loop Control, Automatic Fit, LPF, ADC 目 录 1. 概述 ..............................................................................................................................1 1.1 编写说明 ...............................................................................................................1 1.2 名词定义 ...............................................................................................................1 1.3 缩略语 ...................................................................................................................1 2. 系统总述 ......................................................................................................................2 2.1 系统组成 ...............................................................................................................2 2.1.1 DC-DC 开关电源子系统 ..............................................................................2 2.1.2 电压控制子系统 ...........................................................................................3 2.1.3 电压检测子系统 ...........................................................................................3 2.1.4 单片机子系统 ...............................................................................................3 2.2 系统的主要功能 ...................................................................................................4 3. DC-DC 开关电源子系统的硬件设计 ........................................................................5 3.1 开关电源子系统的主要功能和设计指标 ...........................................................5 3.2 开关电源子系统的具体工作原理 .......................................................................6 3.3 开关电源子系统的参数说明 ...............................................................................8 3.4 专项问题的探讨 ...................................................................................................9 3.4.1 纹波的抑制 ...................................................................................................9 3.4.2 效率的提高 ...................................................................................................9 3.4.3 电感的绕制 ...................................................................................................9 4. 电压控制子系统的硬件设计 ....................................................................................10 4.1 主要功能和设计指标 .........................................................................................10 第1页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4.2 电压控制系统的一般原理和逻辑框图 .............................................................10 4.3 电压控制子系统的具体工作原理 .....................................................................10 5. 电压测量子系统的硬件设计 ....................................................................................17 5.1 主要功能和设计指标 .........................................................................................17 5.2 方案的一般原理和逻辑框图 .............................................................................17 5.3 设计设计方案中主要部分和参数的说明 .........................................................17 6. 单片机子系统及软件设计 ........................................................................................21 6.1 软件功能 .............................................................................................................21 6.2 软件总体框架 .....................................................................................................21 6.3 实验相关元件 .....................................................................................................21 6.4 程序设计 .............................................................................................................23 6.4.1 重要的全局变量 .........................................................................................23 6.4.2 程序流程图 .................................................................................................24 6.4.3 程序内各重要部分 .....................................................................................25 6.4.4 程序内各重要部分方案 .............................................................................26 7. 致谢 ............................................................................................................................27 8. 参考文献 ....................................................................................................................28 9. 附录 A 开发环境 ....................................................................................................29 9.1 硬件开发 .............................................................................................................29 9.2 软件开发 .............................................................................................................29 10. 附录 B 软件程序清单 ..........................................................................................30 11. 附录 C 系统操作说明书 ......................................................................................38 12. 附录 D 测试和分析 ..............................................................................................40 12.1 测试项目和方法 ...............................................................................................40 第2页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 12.1.1 降压 DC-DC 开关电源子系统的测试 ....................................................40 12.1.2 电压控制子系统(开环)的测试 ...........................................................40 12.1.3 电压测量子系统(闭环)的测试 ...........................................................41 12.2 测试的资源 .......................................................................................................42 12.3 测试结果及分析 ...............................................................................................42 12.3.1 降压型 DC-DC 电路模块 .........................................................................42 12.3.2 开环控制功能 ...........................................................................................42 12.3.3 闭环控制功能 ...........................................................................................43 13. 附录 E 课程学习心得和意见建议 ......................................................................44 第3页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 1. 概述 1.1 编写说明 本篇报告为上海交通大学 06 级电子信息与电气工程学院电子系学生大三第一学期科技创新课 程的设计报告,其中详细阐述了有关 DC-DC 开关电源的硬件与软件设计、开发环境、功能指标以 及测试分析方法,旨在全面记录本实验小组的设计思路和操作过程,总结经验与心得体会,供指导 老师在检查评分时参考,亦可作为与同学交流沟通的书面材料。本文适合电子相关专业人士以及有 一定理论基础的业余电子设计爱好者阅读。 1.2 名词定义 ? ? 开关式稳压电源:采用开关三极管控制的直流稳压电源,可通过调节占空比控制电压输出。 单片机小系统:单片机即单片微型计算机,是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出 适配器集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电子计算机中的通用型微处理 器相比,它更强调自供应(不用外置硬盘硬体)和节约成本。它与其外围扩展电路的总和称为 单片机小系统。 ? 开环控制:被控制量(输出量)对控制量(输入量)没有影响,即被控制量只能受控于控制 量,而对控制量无反作用。 [1] ? 闭环控制: 基于负反馈(输入量与反馈量相减)基础上的“检测误差,用以纠正误差”这一原 理组成的系统,也称反馈控制。[1] ? ? ? ? ? ? ? ? 标定占空比:自动拟合模式下,以电压为基准点,系统对应该电压值输出 PWM 波的占空比。 电气隔离: 两部分支路无电气上的直接联系,使相互间的干扰降到最小。 模数转换:将模拟信号转化为数字信号。 占空比:方波信号一个周期内高电平所占的比例。 过流保护:设定系统电流上限,防止功耗过大,导致元件损坏。 开关频率:开关电源中,开关管导通的频率。 电压调整率:输入电压变化时,输出电压变化幅度与输入电压变化幅度的比值。 纹波:叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号。 1.3 缩略语 DC(direct current):直流 LPF(low pass filter) 低通滤波器 ADC(analog digital):模拟-数字转换 PWM(Pulse-Width Modulation):脉宽调制 LPF(low-pass filter):低通滤波器 第1页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 2. 系统总述 2.1 系统组成 20-30V DC 输入 变换 耦合 A-D 5-10V 可调/ 1A DC 输出 DC-DC 开关电源 子系统 变换 耦合 电压检测子系统 单片机 子系统 LPF 整形 电压控制子系统 图 2.1 系统组成示意图 如图 2.1 所示,本次实验设计的开关电源由 4 个部分组成,分别是实现 DC-DC 开关电源部分、 电压控制部分、电压检测部分和控制系统工作的单片机部分。四部分之间的关系如图所示,单片机 输出占空比可调的 PWM 波来控制电压控制模块;电压控制模块对获得的 PWM 波进行滤波和稳伏 之后,通过光电耦合器件 4n25 来控制开关电源的输出电压;电压检测模块用 AD 转换器采集开关电 源模块的输出电压,转换成数字量的数据输出给单片机;单片机读取数模转换的数据,将其转换成 采样电压,比较之后用调整 PWM 波占空比的方式实现闭环控制。 [4] 2.1.1 DC-DC 开关电源子系统 DC-DC 开关电源子系统的主要功能是将一输入不稳定的直流电压(20~30V)变换为输出稳定 的直流电压(5~10V,可调)。该 DC-DC 开关电源子系统采用 TL494 作为核心元件,三极管 Tip42 作为开关元件,通过周期性通断开关,控制开关元件的占空比来调整输出任一给定的稳幅电压。如 图 2.2 所示: 第2页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 2.2 DC-DC 开关电源组成示意图 [4] 2.1.2 电压控制子系统 电压控制子系统主要实现的功能为将单片机输出的可调占空比 PWM 波转化为提供给 DC-DC 子系统的可变电压,从而实现电压的控制。该模块通过对单片机输出的 PWM 波进行整形、取直流 分量得方式将占空比的变化转化为电压的变化;最后为了对控制系统和供电系统进行电器隔离,让 系统的输出通过光耦芯片来完成和 DC-DC 部分的连接。 电压控制子系统由 4 个主要的模块构成,分别是波形整形电路、低通滤波器、信号隔离变换和 TL431 稳压电路(其中 TL431 电路主要是给 4011 芯片提供稳定的 4V 电压)。如图 2.3 所示: 图 2.3 电压控制子系统示意图 [4] 2.1.3 电压检测子系统 电压测量子系统分成三个模块,分别是稳压电路、信号隔离和变化模块、A/D 转换模块。这三 个电路分别以光电耦合器 4N25 芯片,A/D 转换芯片 ADC0804 以及 TL431 芯片为核心辅以一定的外 围电路构成。其中 TL431 稳压电路的主要作用是为光电耦合器 4N25 芯片和 A/D 转换芯片 ADC0804 提供 4V 基准电压。如图 2.4 所示: 图 2.4 电压测量子系统示意图 [4] 2.1.4 单片机子系统 第3页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 本次用于 DC-DC 开关电源的控制用单片机实现的功能主要是 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,数码管显示系统的工作状态,按键控制 电源的工作状态、设置电压。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 AD0809 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。如图 2.5 所 示: 图 2.5 单片机子系统示意图 [4] 2.2 系统的主要功能 本次实验的系统实现了降压型可控开关式 DC-DC 稳压电源,系统由分成开环控制的基本功能 和闭环控制的拓展功能两部分,其主要功能和参数简述如下: ( 1)开 关式 DC-DC 稳压 电源: 实现直流 -直 流变 换的稳 压电源, 在输入 电压的范 围为 20V~30V 的范围内,输出 5V~10V 的稳定直流电压,输出电压分辨率为 0.1V,误差小于等于 0.05V,电压调整率小于 0.1%。 (2)键盘与显示:通过单片机小系统上的按键来控制系统的输出电压和工作方式(开环/闭 环);通过单片机小系统上的数码管来显示输出电压和工作方式的信息。 (3)开环控制: 通过单片机输出的占空比可调的 PWM 波来控制输出电压,利用拟合的到的 数据计算输出电压相应的占空比,通过电压控制部分调整波形,输出到光电耦合来实现开环控制。 开环控制的精度为电压输出误差小于 0.05V。 (4)闭环控制:利用电压测量模块来测量输出电压,将其转换成数据量输出到单片机,单片 机读取数模转换的数据,将其转换成采样电压,比较之后用调整 PWM 波占空比的方式实现闭环控 制。闭环控制的精度为电压输出误差小于 0.05 伏,调整时间小于 1 秒。 第4页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 3. DC-DC 开关电源子系统的硬件设计 3.1 开关电源子系统的主要功能和设计指标 该部分系统的主要功能是: A)当 20~30 伏不稳定的输入直流电压,输出为 5~10 伏的稳定的直流电压 B)当输入电压发生变化时,输出电压稳定 设计指标: 表 3.1 降压型 DC-DC 开关电源子系统设计指标[4] 项目 输入直流电压 输出直流电压 额定输出电流 限流值 电压调整率 电流调整率 输出电压纹波 效率 截止电流值 指标 20V~30V ?5V~?10V 1A 1.1A <0.5 % 1% ?100mVp-p ?65% 1.2A 开关电源子系统的一般原理和逻辑框图 该子系统的工作原理是,通过 TL494 由比较基准参考电压和输出反馈电压,产生的 PWM 波来 控制开关三极管 TIP42 的通断,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。PWM 控制信号的占空比能够控制 DC-DC 开关电源子系统的输出电压值。通过分压网络与 DCDC 开关电源子系统的输出电压值呈线性关系反馈电压信号不断逼近差分放大器的基准参考电压, 达到了子系统输出电压稳定的目的。