系统集成说明书.docx
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系统集成说明书
中北大学
课程设计说明书
学生姓名:
学号：
学院:
专业:
题目:
2015年7月1日
1课程设计目的
1.学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握开关电源的工作原理。
2.掌握C语言开发设计，熟悉单片机的工作原理。
3.掌握基于单片机系统的开发设计。
2课程设计内容和要求
2.1设计内容
设计并制作一个开关稳压电源。
输入220V交流电，输出30V~36V可调直流电。
通过液晶屏显示。
2.2设计要求
基本要求：
（在电阻负载条件下，使电源满足下述要求）
1、输出电压UO可调范围：
30V～36V；
2、最大输出电流IOmax：
2A；
3、U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；
4、IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；
5、输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；
6、DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；
发挥部分：
1、进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；
2、进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；
3、提高效率，使效率≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；
4、能对输出电压进行键盘设定和步进调整，同时显示输出电压电流。
3设计方案及实现情况
3.1设计方案及论证
3.1.1DC-DC主回路拓扑
方案一：
图1是间接直流变流电路：
结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。
图1间接直流电路
方案二：
Boost升压斩波电路：
拓扑结构如图1-2所示。
开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=（ton+toff），通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。
该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。
（如图2）
图2boost升压电路
综合比较，我们选择方案二。
3.1.2控制方案选择
方案一：
利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。
此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。
方案二：
利用KL26单片机产生PWM控制信号。
让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。
这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。
但是系统调试比较复杂。
我们选择方案二。
3.2工作原理及框图
3.2.1Boost升压主电路
图3是Boost升压电路包括驱动电路和Boost升压基本电路。
电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（PowerMOSFET）开关损耗小、工作频率较高。
从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管IRF540。
选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1A电流时仅为0.35V，并且恢复时间短。
实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。
（1）电感值的计算：
其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20kHz,输出电压为36V时，LB=527.48μH，取530μH。
电感线径的计算：
最大电流IL为2.5A，电流密度J取4A/mm2，线径为d,则由
得d=0.892mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。
（2）电容的参数计算：
其中，ΔUO为负载电压变化量，取20mV,f=20kHz,UO=36V时,CB=1465μF,取为2000μF，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。
（3）boost损耗计算：
输出电流有效值
代入数据得IO-RMS=2.069A
而电容的损耗
等效串联电阻ESR取为10mΩ，代入得PCO1=0.0428W
图3主回路
3.2.2开机保护电路
在直流输入端串联一支保险丝（250V，5A），从而实现过流保护,反接保护功能由二极管和保险丝实现。
用NTC电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，当上电瞬间，电阻很大，从而对其防止浪涌电流产生。
（如图4）
图4开机保护电路
3.2.3开关管保护电路
利用IR2302的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，当电压达到200mv的时候比较器输出高电平，使IR2302的SD管角接高电平，从而使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏，为了防止尖峰电流的产生使芯片误判，我们采用逐波防锁电路。
（如图5）
图5开关管保护电路
3.2.4输出滤波和输出过流保护
我们采用电感和电容进行滤波，效果比只使用电容好，我们通过康铜丝采集电流。
当电流超过2.5A的时候打开继电器。
从而关闭电源。
输出端串接电流采样电阻RTEST2，材料选用温漂小的康铜丝。
电压信号需放大后送给单片机进行A/D采样。
过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。
为了降低纹波，采用LC低通滤波器如图6。
取截止频率fL=200Hz，电容取470μF，由
代入得L=215.80μH，取220μH
图6过流保护电路
3.2.5KL26主控电路及采集
单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整PWM控制信号的占空比，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。
PWM信号占空比
；
当U2=15V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=16V，最大值DMAX=0.556；
当U2=21V，UO=30V时，UIN=1.4*U2-2V=27.4V，最小值DMIN=0.087
系统对于单片机A/D采样精度的要求：
题目中最高的精度要求为0.2%，欲达到这一精度，A/D精度要达到1/500，即至少为9位A/D，MP430内置A/D为12位，只要合理设定测量范围，完全可以达到题目的精度要求。
3.2.6键盘输入及显示
分别通过键盘和LCD实现数字设定和显示。
键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压的量值通过LCD显示。
3.3效率分析及计算（U2=18V,输出电压UO=36V,输出电流IO=2A）
DC-DC电路输入电压UIN=1.2*U2-2V=19.6V，信号占空比D≈1-UIN/UO=0.456，
输入电压有效值IIN=IO/（1-D）=3.676A，输出功率PO=UO*IO=72W
下面计算电路中的损耗P损耗：
Boost电路中电感的损耗：
，
其中，DCR1为电感的直流电阻，取为50mΩ，代入可得PDCR1=0.68W
Boost电路中开关管的损耗
开关损耗：
PSW=0.5*UIN*IIN（tr+tf）*f
其中，tr是开关上升时间，为190ns,tf是开关下降时间，为110ns,f是开关频率，为20kHz,代入可得PSW=0.2160W
导通损耗
其中，导通电阻RDSON=77mΩ，电流感应电阻RSNS取0.1Ω，代入得PC=1.23W
肖特基二极管的损耗
流过二极管的电流值与输出电流I0相等，则二极管损耗
，其中，IO=2A,取二极管压降VD为0.35V，代入可得PD=0.7W两只采样电阻上的总损耗为0.9W，综上，电路中的总损耗功率P损耗=4.5W
DC-DC变换器的效率η=PO/（PO+P损耗）=94%
3.4硬件电路原理图
图7为整个系统的电路原理图。
图7总电路图
3.5仿真分析
图8采用multisim对主回路仿真，通过示波器查看输出电压，进过比对，和理论值相近。
改变信号源的占空比，输出电压发生变化。
图8仿真设计
3.6PCB版图设计
图9采用AD11进行电路板设计，采用手工布线和自动布线相结合设计。
对控制信号进行覆铜，防止大电流干扰。
（1）电源线宽和地线宽采用80mil。
信号线采用18mil。
（2）对主回路和控制信号分开覆铜。
图9PCB板
3.7系统测试
3.7.1测试使用的仪器
表1列出了测试中所需的仪器和数量。
表1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
FLUKE15B万用表
4
美国福禄克公司
2
TDGC-2接触调压器（0.5KVA）
1
上海松特电器有限公司
3
KENWOODCS-4125示波器
1
带宽20MHz
3.7.2测试方法
图10为整个电路系统的测试点。
图10测试连接图
3.7.3测试数据
（1）电压调整率（测试条件：
IO=2A，UO=36V）。
U2=15V时，UO1=35.98V；U2=21V时，UO2=36.13V，压调整率SU=（UO2-UO1）/（O1=0.42%）
（2）负载调整率SI测试（测试条件：
U2=18V，UO=36V）。
IO=0A时，UO3=36.29V；IO=2A时，UO4=36.04V，载调整率SI=（UO3-UO4）/UO3=0.69%。
（3）C-DC转换器效率η测试（测试条件：
IO=2A，UO=36V，U2=18V）。
UIN=19.5V，IIN=3.88A；UO=36.00V，IO=1.975A，DC-DC转换器的效率为93.97%。
3.7.4指标完成
表2为整个系统完成的情况。
表2试数据与设计指标的比较
测试项目
基本要求
发挥要求
电路测试结果
输出电压可调范围
30V-36V
实现
最大输出电流
2A
实现
电压调整率
≤2％
≤0.2%
0.1%
负载调整率
≤5％
≤0.5%
0.1%
输出噪声电压峰峰值
≤1VPP
340mVPP
DC-DC变换器效率
≥70%
≥85%
87%
输出电压设定和步进调整
步进1V，测量和显示电压电流
实现，步进可达0.1V。
4课程设计总结
本电路结构简单，功能齐全，性能优良，除个别指标外均达到并超过了题目要求。
保护电路完善，使用更安全。
使用同步采样技术和多种抗EMI技术使得本电路更加环保。
由于时间紧张，任务较为繁重，本电路尚有不足之处，如输出纹波偏大等。
这些都是以后我们努力和改进的方向。
改进方法：
（1）用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采用低阻电容；
（2）使用软开关技术，进一步减小电力MOS管的开关损耗；
（3）采用同步式开关电源的方案，用电力MOS管代替肖特基二极管以减小损耗；
（4）优化软件控制算法，进一步减小电压调整率和负载调整率。
5参考文献
（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：
高等教育出版社，2002
（2）张建华．数字电子技术．北京：
机械工业出版社，2004
（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：
机械工业出版社，2005
（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：
机械工业出版社，2005
（5）潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：
西安电子科技大学出版社，2002
附件：
源程序：
1、功能实现文件
#include"common.h"
#include"include.h"
#defineNM5
uint16ad_value[5][NM];
uint16ad_val[5]={0};
uint8var[2]={0};
int16a;
floatofv,ofc;
volatilefloatlcd_ofv,lcd_ofc;
vint16out_put;
int32dp0=0,dm0=0,dp1=0,dm1=0;
externfloatnew_val;
voidsource_init（）
{
DisableInterrupts;
NVIC_SetPriorityGrouping（0x3）;
NVIC_SetPriority（PIT0_IRQn,0）;
NVIC_SetPriority（LPTMR_IRQn,1）;
LCD_Init（）;
LCD_P8x16Str（0,0,"set:
"）;
LCD_P8x16Str（0,2,"out:
"）;
LCD_P8x16Str（0,4,"output_v:
"）;
LCD_P8x16Str（0,6,"output_c:
"）;
ftm_pwm_init（FTM0,FTM_CH0,30*1000,0）;
key_init（KEY_MAX）;
PID_init（）;
adc_init（ADC0_SE12）;
adc_init（ADC0_SE13）;
adc_init（ADC1_SE14）;
adc_init（ADC1_SE17）;
gpio_init（PTC9,GPO,0）;
pit_init_ms（PIT0,20）;
enable_irq（PIT0_IRQn）;
EnableInterrupts;
}
pid_tpid;
voidPID_init（）
{
pid.Voltage=0;
pid.SetVoltage=0.0;
pid.ActualVoltage=0.0;
pid.err=0.0;
pid.err_last=0.0;
pid.err_next=0.0;
pid.Kp=26.0;
pid.Ki=5.3;
pid.Kd=0;
}
voiddate_get（）
{
int8i,j,k;
uint16ad_result[5][5]={0};
uint16temp=0,ad_sum[5]={0},AD_sum[5]={0},ad_result_tmp[5]={0};
for（i=0;i<5;i++）
{
ad_result[0][i]=adc_ave（ADC0_SE12,ADC_10bit,15）;
ad_result[1][i]=adc_ave（ADC0_SE13,ADC_10bit,15）;
ad_result[2][i]=adc_ave（ADC1_SE14,ADC_10bit,15）;
ad_result[3][i]=adc_ave（ADC1_SE17,ADC_10bit,15）;
}
for（i=0;i<5;i++）
{
for（j=0;j<4;j++）
{
for（k=0;k<4-j;k++）
{
if（ad_result[i][k]>ad_result[i][k+1]）
{
temp=ad_result[i][k+1];
ad_result[i][k+1]=ad_result[i][k];
ad_result[i][k]=temp;
}
}
}
}
for（i=0;i<5;i++）
{
ad_sum[i]=ad_result[i][1]+ad_result[i][2]+ad_result[i][3];
ad_result_tmp[i]=ad_sum[i]/3;
}
for（i=0;i{
ad_value[0][i]=ad_value[0][i+1];
ad_value[1][i]=ad_value[1][i+1];
ad_value[2][i]=ad_value[2][i+1];
ad_value[3][i]=ad_value[3][i+1];
ad_value[4][i]=ad_value[4][i+1];
}
for（i=0;i<5;i++）
ad_value[i][NM-1]=ad_result_tmp[i];
for（i=0;i{
AD_sum[0]+=ad_value[0][i];
AD_sum[1]+=ad_value[1][i];
AD_sum[2]+=ad_value[2][i];
AD_sum[3]+=ad_value[3][i];
AD_sum[4]+=ad_value[4][i];
}
for（i=0;i<5;i++）
{
ad_val[i]=AD_sum[i]/NM;
AD_sum[i]=0;
}
}
voiddate_analyse（）
{
dp0=ad_val[0];
dm0=ad_val[1];
dp1=ad_val[2];
dm1=ad_val[3];
ofc=（float）（dm0-dp0）/1024.0*3.23/0.050;
ofv=（float）（dm1-dp1）/1024.0*3.23*7.790+17.96;
lcd_ofv=ofv;
lcd_ofc=ofc;
}
floatvoltage_pid（floatvoltage）
{
uint8index;
pid.ActualVoltage=ofv;
pid.SetVoltage=voltage;
pid.err=pid.SetVoltage-pid.ActualVoltage;
floatincrementVoltage=pid.Kp*（pid.err-pid.err_next）+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*（pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last）;
pid.Voltage+=incrementVoltage;
pid.err_last=pid.err_next;
pid.err_next=pid.err;
returnpid.Voltage;
}
voiddate_execute（）
{
int16tmp=0;
date_get（）;
date_analyse（）;
tmp=（int16）voltage_pid（new_val）;
if（tmp>550）
tmp=550;
if（tmp<50）
tmp=50;
out_put=tmp;
}
2、主程序
#include"common.h"
#include"include.h"
externfloatnew_val;
externvint16out_put;
externfloatlcd_set,lcd_out;
externvint16tt;
externvolatilefloatlcd_ofv,lcd_ofc;
voidvcan_sendware（uint8*wareaddr,uint32waresize）;
externuint8var[2];
voidmain（）
{
source_init（）;
while
（1）
{
deal_key_event（）;
DisplayFloat8x16（lcd_set,40,0）;
DisplayFloat8x16（lcd_out,40,2）;
DisplayFloat8x16（lcd_ofv,80,4）;
DisplayFloat8x16（lcd_ofc,80,6）;
ftm_pwm_duty（FTM0,FTM_CH0,100）;
//vcan_sendware（（uint8_t*）var,sizeof（var））;
}
}
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