2014电赛报告MOS管修改

1CD-1-本-F2摘要根据大赛题目要求（见附录二），以低成本，高性能，控制方便，结构简单的原则，利用TI公司的MSP430G2553单片机为主控芯片。单片机通过调整内部PWM波输出的频率和占空比，控制高频高侧和低侧驱动器UCC27211尽可能输出符合线圈振荡频率的PWM波，驱动N沟道MOS管IRF540快速的开启与关断，从而使发射回路和接收回路中的电感线圈和电容产生LC振荡，成功设计出符合大赛要求的无线电能传输系统。此外，当单片机输出频率接近振荡频率时，可提高传输效率。关键字：MSP430G2553单片机UCC27211传输效率3无线电能传输目录1.系统方案论证........................................................................................................................41.1控制方法方案的论证与选择.........................................................................................41.2接收回路整流方式选择.................................................................................................42.系统理论分析与计算............................................................................................................63.电路与程序设计....................................................................................................................73.1.电路的设计.....................................................................................................................73.1.1.系统总体框图..........................................................................................................73.1.2.主回路原理图及器件选择分析..............................................................................73.1.3电源........................................................................................................................103.2程序的设计...................................................................................................................103.2.1程序的功能描述与设计思路................................................................................103.2.2程序流程图............................................................................................................114.测试方案与测试结果..........................................................................................................114.1测试方案.......................................................................................................................114.1.1硬件测试................................................................................................................114.1.2软件测试................................................................................................................124.2测试条件与仪器...........................................................................................................124.3测试结果及分析...........................................................................................................124.3.1测试结果................................................................................................................124.3.2测试分析与结论....................................................................................................13附录1：比赛题目要求..........................................................................................................13附录2：UCC27211内部电路图............................................................................................15附录3：总体原理图和源程序..............................................................................................1641.系统方案论证1.1控制方法方案的论证与选择方案一：采用单片机直接产生两路互补的PWM波，提供给UCC27211，驱动N沟道MOS管IRF540，让线圈和电容产生LC振荡。单片机产生的PWM波可调节占空比和死区控制，程序设计和外围电路简单。方案二：用单片机控制可编程振荡器LTC6903产生两路互补PWM波，提供给UCC27211，驱动N沟道MOS管IRF540，让线圈和电容产生LC振荡。LTC6903可编程振荡器，频率可调整范围大，可以从1K到68M实现较为精确的调整，但是占空比固定为50%，不能控制死区，极易烧坏MOS管。方案三：用单片机控制可编程波形发生器AD9851产生两路互补PWM波，提供给UCC27211，驱动N沟道MOS管IRF540，让线圈和电容产生LC振荡。AD9851可编程波形发生器，频率可调整度大，最高可至180MHZ，两路PWM波可通过程序设置相位，占空比可通过外围电路调整，但是调整过于复杂。鉴于上面分析，选择方案一。1.2接收回路整流方式选择方案一：采用桥式全波整流电路，在半个周期内，电流流5过一个整流器件二极管，而在另一个半周内，电流流经第二个二极管，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。但是电流流经整个桥式回路需要经过两个二极管，本电路用的SR260压降为0.7V，则压降总共为1.4V，电压损耗较大。方案二：采用半波整流电路，利用二极管的单向导通特性来进行整流，除去半周、留下半周的整流方法，基本符合要求，且电流流经整个整流回路只需经过一个二极管，压降为0.7V，电压损耗较小。鉴于上面分析，选择方案二。62.系统理论分析与计算在本系统中，提高效率的关键在于是单片机输出频率尽可能接近LC振荡频率。并在此基础上整体提升单片机输出频率和LC振荡频率。总体而言单片机通过控制其内部输出的PWM波的频率和占空比控制了整个系统。2.1频率的计算根据公式2πf=1/√(LC)；其中L为发射极或接收极线圈的电感值（发射极线圈和接收极线圈电感相同），C为发射极或接收极与L串联的电容容值（发射极和接收极线圈电容相同）2.2占空比的计算本系统PWM波来源于单片机内部定时器A，CCR1对应通道占空比为(ccr0-ccr1)/ccr0；CCR2对应通道占空比为ccr1/ccr0。73.电路与程序设计3.1.电路的设计3.1.1.系统总体框图图1系统总体框图3.1.2.主回路原理图及器件选择分析单片机产生PWM15V电源输入发射回路发射线圈接收回路15V转3.3V为单片机供电接收线圈8单片机电路主控芯片采用的是MSP430G2553低功耗单片机，1.8V至3.3V宽范围供电，高达16MHZ的内部频率，且有四种校正频率，其内部定时器A有8种PWM输出模式，可以方便的调整输出的PWM波的频率和占空比，完全满足控制需求。单片机供电电路单片机供电回路采用由内部集成开关的DC/DC降压变换器TPS5430。TPS5430最大电流3A，输入范围为5.5~36V，输出范围为1.23~31V，效率最高可达95%，开关频率为500满足单片机的供电要求。9图2发射电路高频高侧和低侧驱动芯片采用TI公司的UCC27211（详细资料见附录2），UCC27211第5和第6脚分别为高侧和低侧输入引脚，接单片机的2.2和2.4脚（单片机P2.2和P2.4分别产生两路互补的PWM波）；第1脚为VDD，接电源输入；第7脚为VSS，接地；第3脚和第8脚分别为高侧和低侧输出引脚。第2脚HB为高侧自举电源，连接自举电容正极；第4脚HS连接自举电容负极，并连接到MOS管的源极。UCC27211具有很强的驱动能力，能在高频状态下，实现快速的开启与关断，完全能满足本系统的需求。N沟道MOS管采用IRF540，开启上升时间39NS，开启延迟时间8NS，关闭延迟时间26NS，关闭下降时间24NS，完全符合在461KHZ下工作的要求。10图3接收电路接收电路采用半波整流，电路简单，且与桥式全波整流相比进一步减小了电压损耗。3.1.3电源15V直流稳压电源。3.2程序的设计3.2.1程序的功能描述与设计思路1.程序功能根据题目，软件部分主要实现让单片机输出指定频率和占空比的PWM波。.2.程序设计使用MSP430G2553单片机的定时器A，使其输出两路互11补且能控制死区的PWM波。3.2.2程序流程图图5程序流程图4.测试方案与测试结果4.1测试方案4.1.1硬件测试发射端电路测试：用信号发生器产生15V，200K的方波信号接入UCC27211的输入端，用示波器检测MOS管输出是否有波形。接收端电路测试：用直流稳压电源提供8V电压，接入接关闭看门狗系统