程控直流电源论文

2014年吉林省大学生电子设计竞赛程控直流电源（C题）【本科组】2014年9月14日II摘要本设计以直流电压源为核心，MC9S08DZ60单片机为主控制器，实现DC～DC的变换电路。通过开关电源控制开关管开通和断开的时间占空比，来维持输出稳定的电压源，并通过控制可变电阻来调节并联电路回路分压，控制输出最大电流I=2A，输入为20V～30V时，输出电压为6V～12V，并显示在显示屏上。为了能输出电流源，我们采用在Buck电路中取样，增大开关占空比使电流增大，取样电压增大，AD转换以后驱动单片机，形成一个闭环回路，当电流达到我们设定的值时就达到恒流。系统有过流保护，当输出电流过大时自动截止，并发出警报。单片机通过程序控制输出数字信号，再通过内部的D/A转换器输出模拟量，通过LM358运算放大器和光耦隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电压。通过TL494的控制电压来控制CLK脉冲起到固定频率脉宽调制的作用。关键词：直流电源，MC9S08DZ60，BUCK电路，TL494IIIIAbstractThedesignoftheDCsourceuseMC9S08DZ60MCUasthemaincontroller,realizethetransformcircuitofDC~DC.Theswitchingpowersupplycontrolswitchtubetoswitchonandoffdutyratio,tomaintainthevoltagesourceoutputstability,andthroughthecontrolofavariableresistortoregulateparallelcircuitloopdivider,controlthemaximumoutputcurrentofI=2A,input20V~30V,outputvoltage6V~12V,anddisplayedonthescreen.Inordertooutputcurrentsource,weusesamplinginBuckcircuits,increasingtheswitchdutycycletomakethecurrentincreases,thesamplingvoltageisincreased,theADconversionafterthedrivesingle-chipmicrocomputer,toformaclosedloop,whenthecurrentreachesoursetvalueisreachedwhentheconstantcurrent.Thesystemhasover-currentprotection,stopautomaticallywhentheoutputcurrentistoolarge,andsendoutthealarm.Themicrocontrollerthroughtheprogramcontroldigitalsignaloutput,andthenthroughtheD/Aconverteroutputinternalanalog,amplifiedbytheoperationalamplifierLM358isolation,outputpowercontrolofbase,withthechangeofthebasepowertubevoltageoutputdifferentvoltage.BycontrollingtheTL494tocontrolCLKpulsetoallocationfunction,achievethepurposeofadjustingworkingfrequency.Keywords:DCpowersupplyMC9S08DZ60BUCKTL494.目录摘要................................................................IAbstract...........................................................II目录..............................................................III1.设计要求..........................................................11.1设计任务（见附录1）.........................................11.2设计指标（见附录1）.........................................12.方案比较与论证....................................................12.1方案描述....................................................12.2方案比较与选择..............................................22.2.1DC/DC转换电路.......................................22.2.2控制芯片的选择........................................32.2.3隔离电路的选择........................................33.理论分析与计算....................................................33.1基本要求....................................................33.1.1输出为电压源时........................................33.1.2输出为电流源时........................................43.2精密部分....................................................53.2.1输出为电压源时........................................53.2.2输出为电流源时........................................54.电路与程序设计...................................................64.1电路设计....................................................64.1.1DC/DC变换模块........................................64.1.2电压源转换成电流源模块................................64.1.3脉冲产生电路模块......................................74.1.4稳压电路模块..........................................84.1.5过流保护电路模块......................................84.1.6显示模块..............................................84.1.7比较模块..............................................94.2程序流程图.................................................105.测试方案与测试结果...............................................115.1输出为电压源时.............................................115.2输出为电流源时.............................................12附录1设计任务和设计指标..........................................14附录2电路原理图..................................................16附录3源程序......................................................1711.设计要求1.1设计任务（见附录1）1.2设计指标（见附录1）2.方案比较与论证2.1方案描述题目输入端以直流电源供电，经过DC/DC变换以后利用键盘能输出电压，电流并在指定范围内可调，并且要保证效率和精度。了解大体题意以后我们制作了如下的整体设计框图。可调直流电源DC/DC转化电路单片机阻性负载显示AD/DA/PWM键盘2图2.1整体设计框图而根据设计要求，系统可分为DC-DC变换电路模块（Buck电路模块、控制电路模块）、过流保护模块等。2.2方案比较与选择2.2.1DC/DC转换电路方案一：稳压管稳压电路。优点：稳压管稳压电路输出波形稳定，噪声小，结构简单。缺点：稳压管稳压电路带负载能力差，输出功率小，效率低，负载电流较小，一般只为芯片提供基准电压，不做为电源使用。方案二：BUCK降压电路优点：采用BUCK降压电路负载电流大，效率高，发热小。。缺点：通过MOS管的开关实现电源的转换，其纹波比较大，噪音大，需要很多电容为其滤波，而且开关过程中会产生干扰信号。Buck转换电路效率高，适用于75W—2000W功率范围，其应用相当广泛。通过比较，为达到高精度和高效率测试的目的。综合考虑各个部分的连接和配合，以及一些干扰和影响方案二更具有可实现信和更高效率。所以选择方案二。32.2.2控制芯片的选择方案一：选择MC34063控制芯片。该器件本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC/DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。方案二：采用TL494芯片。它是一种固定频率脉宽调制电路，主要为开关电源电路而设计，在开关电路中比较常见。综合对芯片的熟悉程度以及考虑到本次设计是比较小的手工制作电路。所以选择方案二最为合宜。2.2.3隔离电路的选择方案一：采用光耦隔离的优点是：占空比任意可调；隔离耐压高；抗干扰能力强，另外，光耦属电流型器件，对电压性噪声能有效地抑制；传输信号范围从DC到数MHz,其中线性光耦尤其适用于信号反馈。其缺点是：在全桥拓扑中，开关器件为4个，需3—4个光耦，而每一光耦都需独立电源供电，增加了电路的复杂性，成本增加，可靠性降低；因光耦传输延迟较大，为保证开关器件开通与关断的精确性，必须使各路的结构参数一致，使各路的延迟一致，而这往往难以做得很好；光耦的开关速度较慢，对驱动脉冲的前后沿产生较大延时，影响控制精度。方案二：采用推挽式放大电路进行隔离。这是一种常用的隔离方式，对于小型手工电路板来说性价比比较高，而且很方便。综合二者性能，本次设计选择方案二。3.理论分析与计算3.1基本要求3.1.1输出为电压源时（1）输入直流电压为20V～30V时，输出电压可设置为6V～12V，最大输出4电流不小于2A，电压步进精度100mV。MOS管相当于可控开关，当开关断开时。输出为0V。当开关合上时，Vout=Vin,通过占空比控制Vout，电感L1起到续流的作用。占空比VinVoutD。（2）输入电压UIN为20V～30V，输出电压12V时，电压