1、技術文件完成時間：科技創新 5 設計報告項目名稱：DC-DC 開關電源及其控制系統設計小組編號：128設計小組名單：上海交通大學電子信息與電氣工程學院上海交通大學電子信息與電氣工程學院地址：東川路 800 號郵編： 200240摘要：本文檔是單片機控制的DC-DC 開關電源電路系統的設計報告。整個系統由DC-DC 開關電源，單片機小系統，電壓控制及電壓檢測四個子系統組成，實現對輸出電壓的開環和閉環控制。報告說明了各子系統的設計方法以及電路參數的選取，硬件的工作原理和軟件的編程思想，系統測試結果，使用說明，實驗心得，實物照片等。關鍵詞：開關電源；脈沖寬度調制；單片機；模數轉換ABSTRACTTh

2、is document is the design report of a DC-DC switching power supply system controlled by microcontroller. The whole system, which consists of a DC-DC switching power supply subsystem, a microcontroller subsystem, a voltage control subsystem and a voltage sampling system, accomplishes open loop and cl

3、ose loop control of the output voltage. This report details in the design method of every subsystem, hardware principles and software algorithm, along with the result of the test of the system, users instructions, etc.KEYWORDSswitching power supply; PWM; microcontroller; analog-digital conversion上海交

4、通大學電子信息與電氣工程學院地址：東川路 800 號郵編： 200240目錄1. 概述 .11.1編寫說明 .11.2名詞定義 .11.3縮略語 .12. 系統總述 .22.1系統組成 .22.1.1 DC-DC開關電源子系統 .22.1.2電壓檢測子系統 .22.1.3單片機子系統 .22.1.4電壓控制子系統 .22.2系統的主要功能 .33. DC-DC 開關電源子系統的硬件設計 .43.1主要功能 .43.2系統設計指標 1 .43.3設計原理 3 .43.4設計方案 .53.4.1主要元件 .53.4.2電路設計 .63.4.3元件參數選擇 .73.5紋波的控制 .84. 電壓控制子

5、系統的硬件設計 .94.1主要功能 .94.2設計原理與方案 .94.2.1整形模塊的設計原理與方案 .94.2.2有源 LPF模塊的設計原理與方案 .114.2.3信號變換與隔離模塊的設計原理與方案.124.3溫度對電壓控制子系統的影響 .15第1頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院5. 電壓測量子系統的硬件設計165.1 主要功能165.2 設計原理及方案165.2.1 基準電壓模塊的設計原理與方案165.2.2 信號變換與隔離模塊的設計原理與方案175.2.3 A/D轉換模塊的設計原理與方案196. 單片機子系統及軟件設計247. 升壓型 DC-DC 開關電源的硬件設計257.1 主要功

6、能257.2 系統設計指標 1257.3 設計原理 9257.4 設計方案267.4.1 主要元件267.4.2 電路設計277.4.3 元件參數選擇278. 致謝299. 參考文獻3010. 附錄 A開發環境3110.1 硬件開發3110.2 軟件開發3111. 附錄 B軟件程序清單3212. 附錄 C系統操作說明書3313. 附錄 D測試和分析3413.1 測試項目和方法 103413.1.1 DC-DC降壓型開關電源部分3413.1.2 開環控制部分3413.1.3 閉環控制部分3413.2 測試的資源3513.2.1 測試設備與儀表35第2頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院13.2.

7、2 測試環境3513.3 測試結果及分析3513.3.1 DC-DC部分的測試結果3513.3.2 開環控制功能測試結果3613.3.3 閉環控制功能測試結果3613.3.4 升壓型 DC-DC 部分的測試結果3613.3.5 測試結果分析3614. 附錄 E課程學習心得和意見建議38第3頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院1. 概述1.1 編寫說明本文檔是DC-DC開關電源及其控制系統的設計報告。報告詳細闡述了電路系統各部分的工作原理和設計方法，系統測試結果及有關問題的探討。本文適合具有對DC-DC 開關電源知識和單片機知識有一定了解人員閱讀參考。1.2 名詞定義脈沖寬度調制脈沖寬度調制是一

8、種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。占空比在一串理想的脈沖序列中，正脈沖的持續時間與脈沖總周期的比值。模數轉換對連續的模擬量進行量化，轉換為離散的編碼的方法。低通濾波器對信號進行處理的器件。信號通過濾波器后，只保留頻率低的分量，去掉頻率高的分量。開環控制不取輸出量變化信號去控制輸入量的控制方法。閉環控制從輸出量變化取出控制信號作為比較量反饋給輸入端控制輸入量的控制方法。單片機單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統，包括CPU、內存、內部和外部總線系統。1.3 縮略語DC direct current直流A

9、D analog-digital模擬 -數字PWM pulse width modulation脈沖寬度調制信號LPF low pass filter 低通濾波器第1頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院2. 系統總述2.1 系統組成本 DC-DC 開關電源及控制系統如圖 2-1 所示。它由 DC-DC 開關電源子系統、電壓檢測子系統、單片機子系統和電壓控制子系統組成。20-30V5-10V可調/1ADC 輸出DC 輸入變換 耦合A-DDC-DC電壓檢測子系統開關電源單片機子系統子系統變換耦合LPF整形電壓控制子系統圖 2-1系統組成示意圖12.1.1 DC-DC 開關電源子系統DC-DC 開關

10、電源子系統將不太穩定的20-30V 的 DC 輸入電壓轉換為較為穩定的5-10V 的可調DC 電壓。它的核心元件是 TL494 。2.1.2 電壓檢測子系統DC-DC 開關電源子系統的輸出電壓經管光電耦合器件隔離、變換，得到的電壓由AD0804 進行AD 轉換，轉換得到的二進制編碼傳送給單片機子系統供閉環控制時使用。2.1.3 單片機子系統單片機子系統根據使用者的選擇使系統工作于開環模式或者閉環模式。在開環模式狀態下，根據使用者設定的電壓，單片機子系統輸出占空比一定的方波；在閉環模式狀態下，根據使用者設定的電壓，單片機結合電壓檢測系統的二進制代碼對實際輸出電壓進行判斷，輸出占空比可調的方波，使

11、 DC-DC 開關電源子系統的輸出電壓與設定電壓一致。2.1.4 電壓控制子系統電壓控制子系統對單片機子系統輸出的方波進行整形，濾除交流分量，通過光電耦合器件將電信號傳給DC-DC 開關電源子系統，使輸出電壓改變。第2頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院2.2 系統的主要功能本系統的主要功能是根據使用者的要求，在單片機的控制下，將20V30V的DC電壓轉換成5V10V 之間的穩定的 DC 電壓輸出。系統具有開環控制和閉環控制兩種模式。使用者通過單片機上的按鍵選擇開環或閉環工作模式以及輸出電壓。第3頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院3. DC-DC 開關電源子系統的硬件設計3.1 主要功能將輸

12、入的不是穩定的直流電壓轉換成穩定的直流電壓輸出，將輸入的較高的直流電壓轉換成較低的直流電壓輸出。3.2 系統設計指標 1輸入電壓：20V30V輸出電壓：5V10V電壓調整率:=1%電流調整率: 1%輸出紋波: 100mV動態響應: ms 級效率 ： 50%70%限流值： 1.1A 左右3.3 設計原理 3DC-DC 開關電源的原理可利用圖3-1 說明。圖3-1 中， R1 ， R2 為取樣網絡，取樣電壓VS 和基傳電源提供的電壓VREF 加到誤差放大器的兩個輸入端，誤差放大器的輸出反映他們之間的差值電壓v ，將他們接到電壓比較器的反相輸入端。振蕩器產生特定頻率的三角波電壓v ，接到電壓比較器的

13、同相輸入端。當v v 時，比較器輸出高電平，開關管飽和導通，時間為ton ；當 v v時，比較器輸出低電平，開關管飽和截止，時間為toff 。當 VS VREF 時，誤差放大器輸出靜態電壓R1R2tonVIVOVREFR2tontoff若某原因使 Vo 升高，相應的， VS VREF ，則誤差放大器電壓輸出增大，致使管導通時間減小，結果是阻止了 Vo 升高，達到穩壓的目的。反之亦然。第4頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院圖 3-1 DC-DC 開關電源原理圖3.4 設計方案3.4.1 主要元件本次實驗采用TI 公司的TL494 芯片作為DC-DC 開關電源的核心元件，它的內部結構如圖3-2。

14、該芯片內部有兩個誤差比較器，可分別對輸出電壓和輸出電流進行控制。振蕩器的頻率由外接的電容和電阻決定。圖 3-2TL494 內部結構示意圖4芯片的管腳如圖3-3 。第5頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院圖 3-3 TL494 芯片管腳 41：1IN+ 第一個運放的同相輸入端2：1IN- 第一個運放的反相輸入端3：FEEDBACK運放反饋端4：DTC死區控制5：CT內部振蕩器電容端6：RT內部振蕩器電阻端7：GND接地8：C1第一個三極管的集電極9：E1第一個三極管的發射極10： E2第二個三極管的發射極11： C2第二個三極管的集電極12： Vcc工作電源輸入13： OUTPUT CTRL輸出

15、控制14： REF基準電壓輸出端15： 2IN-第二個運放的同相輸入端16： 2IN+第二個運放的反相輸入端3.4.2 電路設計DC-DC 開關電源子系統的電路如圖3-4。第6頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院圖 3-4 DC-DC 開關電源子系統電路圖C3 和 R7 組成 RC 振蕩電路，其中開關頻率等于1/R3*C7 。 TIP42 為開關三級管，TL494 的 8、11 引腳輸出方波，控制TIP42 的關斷。二級管D 為肖特基二極管，作為續流二極管。R10 為了 0.1歐，用為電流采樣， R11、 R12、 R13、 R14 組成分壓網絡，通過調整R12 使整個分壓網絡控制輸出電壓在5

16、-10V之間。3.4.3 元件參數選擇R1=300 R2=100 R3=51K R4=1M R5=5.1K R6=8.2K R7=830 R8=5.1K R9=240 R10=0.1 R11= 5.1K / 20K =4.06K R12=020 K R13=5.1K 第7頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院R14=0100 RL=10 R15=0.1 C1=470 FC3=0.01 FC4=470 FC5=100 F +470 F =570 FL=0.7 HR1和 R2 給開關三極管提供合適的工作點，R1=300 ， R2=100 開關三極管能正常工作。C3和R7 決定開關頻率，選取 R3=8

17、20，C3=0.01 F ， 振 蕩 頻 率f116 Hz=122 103 Hz 。R3C 3820 0.01 10R4與 R5 決定誤差放大器的增益R41MG，取 R4=1M R5=5.1K ， G196 。R55.1kR5和 R8 共同決定TL494芯 片1 號管腳的電壓V1，取R8=R5=5.1K ， 則V1R85V=2.5V 。R8R5R6， R9，R10 用于限流。選取R6=8.2K ，R9=240，使 15 號管腳電壓V15R95V=0.142V。R6R93.5 紋波的控制一開始我們選取峰峰值的兩倍，后來將R1=180， R2=51，發現輸出電壓中毛刺過大，毛刺的峰峰值甚至是三角波

18、R1 和 R2 的值增大到原來的兩倍，取R1=300， R2=100，毛刺幾乎完全消除。我們繞制的電感實測值有0.7H ，三角波的頂部有些尖，說明再增大電感就有可能完全進入磁飽和狀態。所以我們沒有增大電感。另外，C5取值增大可以減小紋波。當C5=100 F，輸入電壓 30V ，輸出電壓10V時，紋波峰峰值為116mV ，當C5=100 F+470 F時，紋波峰峰值降為60mV ，可見紋波得到了很好的控制，但效率略有下降。第8頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院4. 電壓控制子系統的硬件設計4.1 主要功能接收單片機輸出的占空比可調的方波信號，對其進行處理后去控制DC-DC的輸出電壓。由于單片機

19、的供電電源電壓不穩定，因此單片機輸出的方波信號是占空比可調的不穩定5V方波信號，故首先對此波形進行整形得到穩定的4V方波信號。而對穩定方波信號，進行有源LPF處理后就得到大小為4*V 的直流電壓信號。直流電壓信號再經過信號變換與隔離環節就能轉換為控制 DC-DC 輸出的直流電流信號，而且此環節實現了控制單元（單片機電路）和被控電路（開關電源電路）之間的電氣隔離。4.2 設計原理與方案整個子系統分為整形、有源LPF 和信號變換與隔離三個模塊，各個模塊間的連接見圖4-1。圖 4-1 電壓控制子系統各模塊的連接示意圖24.2.1 整形模塊的設計原理與方案4.2.1.1設計原理整形模塊的功能是將高電平

20、不穩定的5V 方波信號轉換為高電平穩定的4V 方波信號。整個電路框架如圖X 所示。圖 4-2 整形電路結構圖2第9頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院在整形電路中，以TL431為核心器件的基準電源電路輸出恒定的4V 電源，作為4011 的供電電源。單片機輸出的SPWM1通過4011 后反轉成SPWM2 ，其中SPWM2的高電平為穩定的4V 。4.2.1.2設計方案4.2.1.2.1 主要元件本次科創采用 TL431 作為基準電源電路的核心元件。其管腳分布及符號表示如圖4-3。圖 4-3 TL431 的實際管腳分布以及符號表示51：Reference 基準電壓輸出極2：Anode陽極3：Cath

21、ode 陰極4.2.1.2.2 電路設計圖 4-4 是以 TL431 為核心器件的基準電源電路的電路圖。圖 4-4 基準電源電路54.2.1.2.3 元件參數選擇第10頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院在基準電路中，Input 為不恒定的5V 電源，而 VKA 的要求為 4V 。由于 Vref2.5V ， I ref 很小，可忽略，所以 R1VKA1410.6 。選取 R1=6k ， R2=10k 。R2Vref2.54.2.2 有源 LPF 模塊的設計原理與方案4.2.2.1設計原理使用有源LPF 的目的是將脈沖信號的直流電壓分量取出來而盡量抑止其他頻率分量通過。使用低通濾波器可以達到這個

22、效果。最理想的情況下，有源LPF能將所有交流分量濾掉，則占空比為以 VH為高電平的方波信號經過有源LPF后可以得到幅值為* VH的直流電壓信號。實際中，有源LPF 是不能將所有交流分量都濾掉的，但只要選取合適的電路參數，就可以使得低通濾波器的截止頻率小到能認為該濾波器是理想的。4.2.2.2設計方案4.2.2.2.1 電路實現本次科創使用的是單位增益SALLEN-KEY結構低通濾波器，電路圖如圖4-5 所示。圖 4-5 單位增益SALLEN-KEY結構低通濾波器示意圖2在復頻域中U o (s)U p (s)U n (s) ，1U p (s)C1sU M ( s) ，R21C1 sU i ( s

23、) U M (s)U M (s) U p (s)U M (s) U n (s)R1R2，1C2 s由以上三式可得第11頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院U o ( s)1U i ( s) R1R2C1C2 s2，( R1 R2 )C1s 1在頻域中U o ( jw )1，U i ( jw )R1R2C1C2 w2( R1 R2 )C1 jw 1可視其為一個二階低通濾波器，其截止頻率為f c1。 U i 是占空比為 且以 VH2 R1R2 C1C2為高電平的方波信號，在fc 足夠小的情況下在近似認為輸出端Vctl 是幅值為VH 的直流電壓信號。4.2.2.2.2 元件參數選擇R1=82k R2

24、=82k C1=0.1 FC2=0.1 Ff c1計算可知，設計的低通濾波器的截止頻率為19.42Hz 。因為頻率很小，2R1R2 C1C2可以近似認為此處的有源LPF 從方波信號中提出了直流分量。4.2.3 信號變換與隔離模塊的設計原理與方案4.2.3.1設計原理利用光電耦合器可以實現信號的變換與隔離。光電耦合器主要由光源（發光二極管LED ）和光敏器件組成，如圖4-6所示。通用的光耦是把一個發光二極管LED和一個光敏三極管VT封裝在一個完全與外界光線隔離的外殼中。當電流流過發光二極管 LED 時，產生一個光源，光強度取決于激勵電流大小，此光照射到封裝在一起的光敏三極管 VT 上后，控制 V

25、T 產生集電極電流。由于本系統使用的是非線性光耦，所以流經發光二極管的電流與光敏三極管的集電極電流之間呈非線性關系。第12頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院圖 4-6 光耦示意圖4.2.3.2設計方案4.2.3.2.1 主要元件本模塊使用的核心元件為4N25 ，其管腳分布如圖4-7 所示。圖 4-7 4N25 的管腳分布圖61: ANDOE 陽極2: CATHODE 陰極3: N.C. 懸空端4: EMITTER 發射極5: COLLECTOR 集電極6: BASE 基極4.2.3.2.2 電路實現整個光耦轉換模塊的電路如圖 4-8 所示。其中左邊四個電阻組成的拓撲分壓網絡是 DC-DC 開

26、關電源子系統的一部分。第13頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院圖 4-8 光耦及拓撲分壓網絡電路圖2在電路中，光耦的作用相當與給R12 并上一個電流源，通過電流大小的變化控制B 點的電壓大小，進而通過DC-DC 開關電源子系統控制輸出電壓的改變。4.2.3.2.3 元件參數選擇Rctl 3k / 5.1k /6.8k1.48k由于本系統采用的是非線性光耦，因此流過LED 的電流與光敏三極管產生電流并不成線形比例關系。而且當流過LED 的激勵電流過小時，將很難產生有效光強驅動光敏三極管產生電流；當流過LED 的激勵電流過大時，產生的光強將飽和，光敏三極管產生電流不再有較大改變。因此要正確選取使

27、光電耦合正常工作的激勵電流范圍，也就是Rctl ，確保系統工作正常。Rctl確定為1.48k，是反復多次調試的結果。實驗中發現，當Rctl的取值大于2k 時， 20%-80%的占空比不能完全覆蓋5V-10V的輸出電壓，只能在大約7V-10V的范圍內變化，而且很大一部分占空比對應的輸出電壓相同，說明LED上的電流使得光敏三極管工作于截止區或者飽和區。若Rctl的取值大約為1k，則20%-80% 的占空比只能覆蓋大約5V-7V的輸出電壓，效果也不好。實驗中還發現，圖4-8中，電阻R11，R12，R13， R14的阻值同樣會對開關電源子系統的輸出電壓產生影響。而且光耦的并入還影響到圖4-8中A ，B

28、兩端向右視入的等效電阻。經過反復嘗試，我們第14頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院將 Rctl 定為 1.48k ， R11 定為 5.1K / 20K =4.06K ，使得 28%-52% 的占空比能控制輸出電壓為 5V-10V 。4.3 溫度對電壓控制子系統的影響幾次對系統的開環測試發現，對于占空比相同的方波，DC-DC 開關電源子系統的輸出電壓存在漂移，當數碼管顯示5V 時，輸出電壓能從約4.75V 變化到約4.9V 。 5V-6V 附近的漂移尤其嚴重。下面分析造成這種現象的原因。首先是環境溫度。我們小組第一次進行開環控制占空比的測定是在十一月初，當時氣溫較高，實驗室沒有開空調。不久以

29、后，氣溫驟降，實驗室開空調，使得室內氣溫比十一月初未開空調時還要高，而且每天室內氣溫還有差別。這就導致系統工作的起始環境溫度不同，使系統中的元件所處的工作狀態不一樣，表現出的性能也有所區別。第二是水泥電阻發熱造成局部溫度升高。 TL494 芯片和外圍電路元件會受到溫度升高的影響。光耦是控制輸出電壓的關鍵元件，對溫度很敏感，它就放置在水泥電阻附近，受溫度的影響很大。我們曾經嘗試把水泥電阻移走，放置在遠離 DC-DC 開關電源子系統的地方，溫度漂移依然存在。這說明電路中還有別的因素造成溫度漂移。限于所學知識，我們沒有進行更深入的分析。令我們感到欣喜的是，實驗中發現，在系統上電十五分鐘以后，輸出電壓

30、漂移較小。于是我們在這種狀態下重新進行方波占空比與輸出電壓關系的測定，情況得到一定程度改善。第15頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院5. 電壓測量子系統的硬件設計5.1 主要功能對 DC-DC的輸出電壓進行采樣，采樣得到的電壓進行處理后再通過A/D轉換就能得到二進制代碼，進而可以將DC-DC輸出電壓的信息反饋給單片機。5.2 設計原理及方案整個子系統主要由信號變換與隔離模塊、A/D 轉換模塊組成，另有為這兩個模塊提供基準電壓的基準電壓模塊，各個模塊間的連接見圖X 。圖 5-1 電壓測量子系統各模塊的連接示意圖25.2.1 基準電壓模塊的設計原理與方案5.2.1.1設計原理用以 TL431 為

31、核心元件的基準電源電路，可以將不很穩定的5V 電源轉變成穩定的基準電壓。得到的基準電壓提供給信號變換及隔離模塊和A/D 轉換模塊中必須使用穩定電壓的部分，可以保證它們的正常工作不因電壓不穩定而受到影響。5.2.1.2設計方案5.2.1.2.1 主要元件基準電源電路的核心元件是TL431 ，其管腳分布見圖5-2。第16頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院圖 5-2 TL431 的實際管腳分布以及符號表示51：Reference 基準電壓輸出極2：Anode陽極3：Cathode 陰極5.2.1.2.2 電路實現圖 5-2 是以 TL431 為核心器件的基準電源電路的電路圖。圖 5-3 基準電源電

32、路55.2.1.2.3 元件參數選擇在基準電路中，Input 為不恒定的5V 電源，而 VKA 的要求為 4V 。由于 Vref2.5V ， I ref 很小，可忽略，所以 R1VKA1410.6 。選取 R1=6k ， R2=10k 。R2Vref2.55.2.2 信號變換與隔離模塊的設計原理與方案5.2.2.1設計原理利用光電耦合器，可以實現DC-DC 輸出電壓與A/D 轉換電路的物理隔斷。而由光電耦合器的輸入輸出特性，DC-DC 輸出電壓與此部分的輸出之間存在一一對應關系。第17頁上海交通大學電子信息與電氣工程學院5.2.2.2設計方案5.2.2.2.1 主要元件此模塊的核心元件為4N25。其管腳分布見圖5-3。圖 5-3 4N25 的管腳分布圖61: ANDOE 陽極2: CAT