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1代码：LG-3-本-D2010年TI杯四川省大学生电子设计竞赛设计报告书设计题目：高效数控恒流电源（D题）参赛队代码：LG-3-本-D竞赛时间：2010-72TRLR1234111AVCCV+GNDV-Vin高效数控恒流电源（D题）摘要本数控恒流源系统主要由恒流源控制电路、DC/DC变换电路和单片机控制部分三个功能模块组成。恒流源控制电路由硬件闭环稳流电路实现输出电流的稳定控制。DC/DC转换模块采用单端正激式DC/DC变换电路，可实现降压和升压的功能，扩大输入电压范围至8-20V。单片机控制模块以MSP430单片机为控制核心，结合键盘、DAC和LCD实现系统的控制和显示功能。一、总体方案设计1、方案论证与比较（1）恒流源电路方案方案1：采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，经MCU处理后送入DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值，再经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。方案2：采用硬件闭环控制。硬件的闭环稳流的典型电路如图1所示，根据集成运放的虚短概念，可得到：IL≈Vi/R1式中IL为负载电流，R1为取样电阻，Vi为运算放大器同相端输入信号。若固定R1，则IL完全由Vi决定，此时无论Vcc或是RL发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使IL保持稳定。方案1最大的问题是：若输入电源电压或负载发生变化，都需要经过一段时间调整后才能使电流稳定。而方案2硬件电路不仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出，故本系统采取方案2。图1硬件闭环稳流电路（2）DC/DC电压转换电路方案最基本的斩波电路如图2所示，斩波器负载为R。当开关S合上时，Uout=Ur=Uin，并持续t1时间。当开关切断时Uout＝Ur＝0，并持续t2时间，T＝t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。定义斩波器的占空比D＝t1／T，t1为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从零变到Uin，也就是说输出电压可随D而改变。3SRUin+-Ur((a)(b)图2降压斩波电路原理在高频稳压开关电源的设计中，普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且其滤波器设计也比较困难。DC/DC变换器有：降压式（Buck），升压式（Boost），单端正激式，单端反激式，双管正激式，双管反激式，半桥式，全桥式，推挽式等多种典型变换电路。虽然DC/DC转换电路很多种，但都具有各自不同的特点：Buck和Boost电路虽然效率较高但不能同时实现降压和升压的双重功能。基于题目要求，电源部分需同时具有升压和降压的功能，故这两种电路此处不可取。兼有升、降压功能的Buck-Boost电路要满足8~20V的要求颇为不易。双管正激式、双管反激式、半桥式、以及全桥式DC/DC变换电路适合于大功率等级（200W以上）的电路，不太适合小功率电源电路。由本题设计要求：恒流源输出最大电压10V且输出电流范围为20~2000mA，即输出功率最大值为20W，属于小功率电源。因而以上电路不适合本设计。推挽式隔离变换电路，使用两个管子进行推挽，变压器采用中心抽头连接，二次侧也是两相半波整流，因此相当于两个正激式变换电路在工作，这类变换电路较复杂，综合考虑本设计不使用该电路。单端反激式单管变换器的电路，其输出的纹波电压比较大，若要减小纹波，需要加入复杂的滤波电路。本设计不采用该电路。单端正激式变换电路因为其使用无气隙的磁芯，铜损低，感量较高，变压器的峰值电流较小，输出电压纹波低。适用于低电压大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。综上所述，由于正激式开关电源电路结构简单、功率密度较高。所以本设计电源部分采取此电路。2、系统设计框图系统总体框图如图3所示，输入电压经DC/DC转换电路后输出为恒流源电路、单片机控制系统以及恒压源电路提供电源。恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能，用户通过键盘设定输出电流值，经MCU处理经DAC转换为控制电压，传入恒流源电路，从而控制输出电流的大小。同时在LCD上显示系统的相关信息。此外系统中也扩展了恒压源电路。4图3系统总体设计框图二、功能描述1、题目要求功能：（1）能数字设置并控制输出电流，最大输出电压11V，输出电流范围200~2000mA；（2）输入电压范围：8V~20V；效率≥80%。（3）具有过压保护功能并声光报警：动作电压Uoth=11+0.5V；（4）具有输出电流的测量和数字显示功能。2、本系统设计扩展功能：（1）输出电流范围：20~2000mA；步进可达到1mA；（2）具有软件启动功能；（3）输入电压范围扩展到8V~20V；（4）具有掉电保持功能：电流源可存储掉电前工作电流值。下次上电时可按照掉电时最后的电流值工作。（5）另外电路扩展稳压源模块，可实现稳压输出1~5V。（6）声光报警恒流源负载恒压源MSP430F149单片机ADCDC/DC变换Uin键盘LCD显示DAC5三、分析计算和电路实现1、DC/DC转换电路部分（1）单端正激式电源变压器选择和计算单端正激式开关电源变压器是单向激磁，要求磁芯脉冲磁感应增量大，但是变压器初级工作次级也同时工作，因此计算方法和步骤与双极性开关电源接近：初级绕组匝数N1计算式为：N1=Vp1×tk×102/ΔB1A其中：VP1是变压器最低输入额定电压幅值，此电源标称为8V；tk是开关管导通时间，此电源设定为4us；ΔB1为脉冲磁感应增量，此电源设定为0.2T，A为磁芯截面积，所选磁材为PC40EPC10-Z，其截面积为9.39×102cm2。根据上述所选值求得N1=13。次级匝数要保证此时的电压≥12V，即N2=19。（2）SG3525控制电路分析与计算单端正激式开关电源，电路原理图如图4所示，硬件电路结构简单。由SG3525控制芯片产生PWM波，驱动开关管IRFZ44N，输出电压经采样后，送至SG3525的1脚，即误差放大器的反向输入端，若输出电压偏高，采样反馈的电压也偏高，与SG3525中误差放大器的基准电压比较后电压偏低，导致占空比下降，从而使输出电压下降。反之亦然，如此形成闭环控制。R10是可调电阻，通过调节R10就可调节输出电压。图4DC/DC电源原理图根据在稳态条件下电感L2两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理，在电感电流连续的条件下，可以推导出输入、输出电压与开关通断时间的占空比（占空比为d）的关系为：Uo/Ui=d/(1-d),故通过改变开关管的占空比d可以控制输出平均电压的大小，当0d1/2时为降压，当1/2d1时为升压，即可实现升压和降压的功能。而SG3525根据变压器幅边反馈的电压信号调整输出PWM控制信号的占空比。SG3525控制产生的PWM波的频率f可由外接电阻和电容确定，其计算公式为：f=1/Ct(0.67Rt+1.3Rd)其中Ct是5脚接出到地的充电电容,Rt是6脚接出到地的时基电阻,Rd是5,7脚间的放电电阻。本系统设置f为99.50（kHz），取Ct=1000p，Rt=15K，Rd=0。（3）开关管的选择开关电源中的开关晶体管是影响电源可靠性的关键器件，主电路中用作开关的功率管主要有双极性晶体管和VMOS两种。开关管的一个重要参数就是导通电阻RDS，RDS直接影响开INTIN1NORIN2SYNC3OSC4CT5RT6DISC7SOF8COM9SHUT10OUTA11GND12VC13OUTB14Vcc15Vref16SG3525U1R33.6KR115KR23.6KC2102+C31uFC4104C5104R43.9KR510/1WR610KR720KC6104+C1470u/25VC7684R8100R11200/2w+C16220u/25V1122SDRUF4005D2+C8470u/16VC9103L210uH+C10100uF1312V123J1Header3R91.2K+12T1TransCupl128VVinVoutGND7808R1010KD2STPS30L60CTQ1IRFZ44N6关电源输出损耗。本系统采用的VMOS管IRFZ44N的RDS只有17.5mΩ，经实测，在饱和状态下其管压降可以降到0.02V，其功耗非常低。因此选择VMOS管有利于提高电源效率。（4）整流管的选择功率肖特基二极管由于正向压降低、功耗小、开关速度高，在主流低压带电流领域得到广泛应用。但低压降小功耗是以低势垒为前提的。较低的势垒高度会使器件反向漏电流增加，最高工作温度降低，因此选择合适的势垒高度是很重要的。为解决功率肖特基二极管的正反向特性之间的矛盾，本设计选择的整流管STPS30L60对此加以改进，既具有低压降，又有较小的方向电流。其等效电路为两个整流二极管的并联如此可将正向导通压降降低到0.56V，同时其正向导通电流可增大到2×15A。其开关速率可以达到10000V/μs。可以达到本设计PWM波99KHz的要求。2、恒流源电路部分（1）具体电路分析电路原理图如下图5所示，主要由采样电阻，12位DAC芯片TLV5618和控制运放LM258，以及大功率管几部分组成。大功率管实现扩流，12位DAC输出控制电压送到运放同相输入端，根据运放虚短的概念，运放的反相输入端电压将等于控制电压，采样电阻的电压经20倍放大后连接到运放反相端，从而实现电压控制采样电阻的电压，进而控制采样电阻的电流，即控制恒流源输出电流。由于电流设置分辨率为1mA/2000mA=1/2000，12位DAC芯片TLV5618的分辨率为1/4096，满足设计要求。根据题目要求选择合适的元器件很重要。图5恒流源电路（2）采样电阻R的选择对电阻而言，减额因子：S=实际功率/额定功率≤0.5，因此电阻的功耗I2R应尽量小，同时应避免温度过高引起阻值变化过大使得输出电流值产生偏差。鉴于以上考虑，此电路选用0.1Ω/10W的电阻。为避免采样电阻通过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流，本电路将4个0.1Ω/10W的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。（3）运算放大器的选择由于此电源系统不提供负电压，所以必须采用单电源运放，本设计采用LM258。其C16104C13104C12104R9200k*R31kC1410u/25VW310k+5VC11104C10104R710kR6100R100.1/5W240*128A3785VREF621SCLK/CSOUTA4OUTBDINU2TLV5618Q1MJ11016R51kR41kR810k*TP1TP2+VCC+VCC+5D3LM336-2.5VW510kLCDW410k键盘MSP430149小系统+-32148567RL1U1-1LM258稳压输出0~10VU1-2+-C15104-ADCIN1W410kADCIN2TP4Af=20BUZZER+5VQ390142.1V4V-2000mATP3C17104W610kQ1C+VCCTP5R192kLEDTP3+12VGND+5VGNDC20100u/16VC21100u/16VC22104C23104ADCIN0R162K+5VDINSCLK/CSGNDLEDC1047输入电压范围0.3~32V，输入失调电压2~5mV，满足精度要求。（4）功率管的选择常见的电流源多采用达林顿管和VMOS管两种，经过实际实验检测，达林顿管的管压降在0.8V左右，而VMOS管的管压降只有0.02V左右，考虑到提高电源效率问题，本电路采用VMOS大功率管。(5)DAC与控制电路的配合TLV5618的输出电压为UO=2×VREF×DIN/4096，当VREF=2.084V，DIN=4000时，UO=4.000V，恰好满足IL=2.000A时，反馈电压=4.000V的要求。3、单片机控制显示（1）M