DCDC开关电源模块及其控制系统Word格式文档下载.docx
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●占空比：
方波信号一个周期内高电平所占的比例。
●过流保护：
设定系统电流上限，防止功耗过大，导致元件损坏。
●开关频率：
开关电源中，开关管导通的频率。
●电压调整率：
输入电压变化时，输出电压变化幅度与输入电压变化幅度的比值。
●纹波：
叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号。
1.3缩略语
DC（directcurrent）：
直流LPF（lowpassfilter）低通滤波器
PWM（Pulse-WidthModulation）：
脉宽调制ADC（analogdigital）：
模拟-数字转换
LPF（low-passfilter）：
低通滤波器
2.系统总述
2.1系统组成
图2.1系统组成示意图[4]
如图2.1所示，本次实验设计的开关电源由4个部分组成，分别是实现DC-DC开关电源部分、电压控制部分、电压检测部分和控制系统工作的单片机部分。
四部分之间的关系如图所示，单片机输出占空比可调的PWM波来控制电压控制模块；
电压控制模块对获得的PWM波进行滤波和稳伏之后，通过光电耦合器件4n25来控制开关电源的输出电压；
电压检测模块用AD转换器采集开关电源模块的输出电压，转换成数字量的数据输出给单片机；
单片机读取数模转换的数据，将其转换成采样电压，比较之后用调整PWM波占空比的方式实现闭环控制。
2.1.1DC-DC开关电源子系统
DC-DC开关电源子系统的主要功能是将一输入不稳定的直流电压（20~30V）变换为输出稳定的直流电压（5~10V，可调）。
该DC-DC开关电源子系统采用TL494作为核心元件，三极管Tip42作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出任一给定的稳幅电压。
如图2.2所示：
图2.2DC-DC开关电源组成示意图[4]
2.1.2电压控制子系统
电压控制子系统主要实现的功能为将单片机输出的可调占空比PWM波转化为提供给DC-DC子系统的可变电压，从而实现电压的控制。
该模块通过对单片机输出的PWM波进行整形、取直流分量得方式将占空比的变化转化为电压的变化；
最后为了对控制系统和供电系统进行电器隔离，让系统的输出通过光耦芯片来完成和DC-DC部分的连接。
电压控制子系统由4个主要的模块构成，分别是波形整形电路、低通滤波器、信号隔离变换和TL431稳压电路（其中TL431电路主要是给4011芯片提供稳定的4V电压）。
如图2.3所示：
图2.3电压控制子系统示意图[4]
2.1.3电压检测子系统
电压测量子系统分成三个模块，分别是稳压电路、信号隔离和变化模块、A/D转换模块。
这三个电路分别以光电耦合器4N25芯片，A/D转换芯片ADC0804以及TL431芯片为核心辅以一定的外围电路构成。
其中TL431稳压电路的主要作用是为光电耦合器4N25芯片和A/D转换芯片ADC0804提供4V基准电压。
如图2.4所示：
图2.4电压测量子系统示意图[4]
2.1.4单片机子系统
本次用于DC-DC开关电源的控制用单片机实现的功能主要是3个方面，分别是用户操作界面、开环电压控制、闭环采样及电压调整控制。
用户界面功能主要是提供人机交互的控制功能，数码管显示系统的工作状态，按键控制电源的工作状态、设置电压。
开环电压控制中单片机的主要任务是计算设置电压对应的占空比，输出相应占空比的PWM波。
闭环采样及电压调整控制中单片机完成了两个任务，即控制AD0809采样并转换成相应的采样电压和根据采样电压调整占空比实现闭环控制。
如图2.5所示：
图2.5单片机子系统示意图[4]
2.2系统的主要功能
本次实验的系统实现了降压型可控开关式DC-DC稳压电源，系统由分成开环控制的基本功能和闭环控制的拓展功能两部分，其主要功能和参数简述如下：
（1）开关式DC-DC稳压电源：
实现直流-直流变换的稳压电源，在输入电压的范围为20V~30V的范围内，输出5V~10V的稳定直流电压，输出电压分辨率为0.1V，误差小于等于0.05V，电压调整率小于0.1%。
（2）键盘与显示：
通过单片机小系统上的按键来控制系统的输出电压和工作方式（开环/闭环）；
通过单片机小系统上的数码管来显示输出电压和工作方式的信息。
（3）开环控制：
通过单片机输出的占空比可调的PWM波来控制输出电压，利用拟合的到的数据计算输出电压相应的占空比，通过电压控制部分调整波形，输出到光电耦合来实现开环控制。
开环控制的精度为电压输出误差小于0.05V。
（4）闭环控制：
利用电压测量模块来测量输出电压，将其转换成数据量输出到单片机，单片机读取数模转换的数据，将其转换成采样电压，比较之后用调整PWM波占空比的方式实现闭环控制。
闭环控制的精度为电压输出误差小于0.05伏，调整时间小于1秒。
3.DC-DC开关电源子系统的硬件设计
3.1开关电源子系统的主要功能和设计指标
该部分系统的主要功能是：
A）当20～30伏不稳定的输入直流电压，输出为5～10伏的稳定的直流电压
B）当输入电压发生变化时，输出电压稳定
设计指标：
表3.1降压型DC-DC开关电源子系统设计指标[4]
项目
指标
输入直流电压
20V~30V
输出直流电压
5V~10V
额定输出电流
1A
限流值
1.1A
电压调整率
<
0.5%
电流调整率
1%
输出电压纹波
100mVp-p
效率
65%
截止电流值
1.2A
开关电源子系统的一般原理和逻辑框图
该子系统的工作原理是，通过TL494由比较基准参考电压和输出反馈电压，产生的PWM波来控制开关三极管TIP42的通断，当PWM信号为高电平时，三极管导通，电源电压Vin对储能电感L充电，此时由于二极管两端为反向电压，因此处于截止状态，从而导致负载电阻RL两端电压上升。
当PWM信号为低电平时，三极管断开，此时二极管两端变为正向电压，处于导通状态，从而电感通过二极管放电。
使得电感中的电能不断减小，RL两端电压逐渐下降。
当三极管的导通频率足够高时，就能够使负载电阻RL两端输出电压的纹波幅度满足设计要求，从而保持输出电压的稳定。
PWM控制信号的占空比能够控制DC-DC开关电源子系统的输出电压值。
通过分压网络与DC-DC开关电源子系统的输出电压值呈线性关系反馈电压信号不断逼近差分放大器的基准参考电压，达到了子系统输出电压稳定的目的。
简明电路图如图3.1所示：
图3.1DC-DC开关电源子系统简明示意图[4]
3.2开关电源子系统的具体工作原理
3.2.1输出电压与基准电压差分放大电路的工作原理
1脚外接电路主要由一个分压电路构成，主要目的是使TL494的1脚电压与输出电压成正比。
2脚同样外接一个分压电路，2脚电压由R5和R8对基准电压分压得到。
如图3.2所示，R4和R构成一个负反馈电路，反馈系数F=－。
R3和C2的作用是抑制高频增益，防止自激。
图3.2差分放大电路图[4]
3.2.2TL494的工作原理
TL494的内部结构与工作原理如图3.3所示。
Vref经分压后从1IN-端输入误差放大器1（ErrorAmplifier1），输出电压的采样值从1IN+端输入。
误差放大器1将两者进行比较，当采样电压大于基准电压时，其输出端对VA进行充电，使VA的电压不断升高；
当采样电压小于基准电压时，VA通过恒流源放电，从而VA的电压不断下降。
而VA的变化会引起PWM比较器（PWMComparator）判决门限的改变，使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波。
图图3.3TL494的内部结构图[4]
3.2.3开关三极管TIP42在电路中的作用
开关三极管（Tip42C）的工作原理：
当PWM控制信号处在低电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降大，三级管导通。
当PWM控制信号处在高电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降小，则三级管截止。
如图3.4所示：
图3.4TIP42的电路图[5]
3.2.4外围电路设计
如图3.5所示：
图3.5降压型DC-DC开关电源子系统电路图[4]
3.3开关电源子系统的参数说明
表3.2DC-DC电路主要元件参数
元件
元件参数
C1
470uF
R4
1M
R12
0~22k
C2
0.1uF
R5
5.1k
R13
C3
500pF
R6
R14
0~1k
C4
R7
6.2k
R
10
C5
R8
L
1.1mH
R1
1k
R9
TL494
-
R2
200
R10
0.1
二极管
1N5822
R3
47k
R11
PNP三极管
Tip42
3.4专项问题的探讨
3.4.1纹波的抑制
根据科创课程上的学习，我们知道有以下几种方案可以减小纹波[4]：
1）提高开关频率，减小R7*C3，此方法在一定程度上可以使三极管开关切换更加频繁，从而显著降低纹波峰峰值。
但若三极管开关过于频繁，因为频率和效率是一对矛盾，就会使得效率显著下降，TL494放出大量热量。
2）增大R1-降低开关管饱和导通深度；
降低开关状态切换速率
3）增大储能电感值。
该方法效果不明显，因为电感的取值范围较小，且增大电感值易产生磁饱和现象。
4）增大滤波电容
。
此方法效果不明显，且电容占用大量空间，是非常不经济的做法。
3.4.2效率的提高
由上述分析可知，效率与频率是一对相互制约的矛盾量，因此抑制纹波的元件参数在对效率的调节也起着至关重要的作用。
将3.1.4.1节所述措施
（1）、
（2）、（3）的相关参数向相反的方向调节就可提高效率。
3.4.3电感的绕制
经过理论分析可得，电感L的值越大，输出电压的纹波越小。
然而电感L的值并不是越大越好的，这是因为因磁性材料的问题，B总是有限的，即电感感量是有极限的，当B达到最大时，即出现磁饱和现象，而当匝数N越大时，恰好发生磁饱和的I临界越小。
因此在电路中，电感中通有一定的电流，电感极有可能达到磁饱和而使得电感的感量急剧减小从而使纹波变大，可见在绕制电感的时候并不是电感越大越好的。
在实验中，我们第一次绕制的电感偏大，当电感接入系统中时输出电压的纹波由于电感达到磁饱和而变大，为此，我们减小了电感的匝数，重新绕制了一个电感量相对较小的电感，但在电路中受电流的影响该电感仍达到了磁饱和，为了减小纹波，我们在电感的两磁芯间垫入了一张纸片，从而防止了磁饱和现象的发生，有效地减小了纹波。
4.电压控制子系统的硬件设计
4.1主要功能和设计指标
主要功能：
该系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，将单片机输出的PWM波转化可变电压。
它作为单片机控制输出电压的桥梁，代替了手动调节可变电阻的过程，实现了开环控制。
设计指标：
数码管显示输入电压，DC-DC输出稳定的直流电压，误差不得超过0.05V。
4.2电压控制系统的一般原理和逻辑框图
通过单片机编程，改变单片机系统板上的按键来输入设定要求的DC-DC开关电源输出电压，通过单片机进行计算，输出具有其所对应的占空比的PWM控制信号，但是这个PWM波的高电平电压不稳定，所以需要接一个整形电路来使电平稳定。
之后信号经过有源低通滤波器，取出其直流分量，由于占空比不同的PWM波所含的直流分量是不同的，此直流信号经由非线性光耦4N25，相当于控制一个可变电阻，耦合入DC-DC开关电源子系统的电压反馈比例控制网络，可以改变电压反馈比例，达到DC-DC子系统输出不同电压值的目的。
系统过程流图如图4.1所示：
图4.1单片机小系统原理框图[4]
4.3电压控制子系统的具体工作原理
整个原理流程可以分成四个部分：
（1）单片机产生PWM波
（2）整形电路（3）有源LPF（4）信号变换与隔离（5）TL431稳压电路（其中TL431电路主要是给4011芯片提供稳定的4V电压）。
从信号的角度说，该子系统使单片机输出的PWM波通过4011芯片为核心器件的整形电路，转化成稳定的PWM波，该波形通过有源低通滤波器，转化为同PWM波占空比成反比的直流电压，该电压通过4n25光耦芯片向DC-DC子系统中的差放输入可控的电压，从而实现电压的控制。
4.3.1单片机产生PWM波
单片机产生PWM波，参见单片机子系统部分。
4.3.2整形电路
整形电路的主要目的是将单片机输出的不稳定PWM波转化为稳定的PWM波输出。
主要利用反向器（4011）来实现这一功能。
而反向器4011需要一个稳定的工作电压，所以有了以下的电路设计，如图4.2：
图4.2整流电路图[4]
4.3.3基于TL431的基准电压电路
通过研究TL431的DATASHEET,我们发现TL431的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。
见图4.3：
图4.3TL431的工作特性图[5]
由此，我们可以得到基准电压的电路图（如图4.4所示）：
图4.4基准电压电路图[5]
Ik不能过小！
所以接输入的电阻不能太大，最后取到100欧姆。
而Iref值很小，可以忽略。
所以，在图4.4所示的电路连接方法下，输出电压的表达式为：
VKA=VRef（1+R1/R2）；
因为VRef=2.5V（TL431内部决定），要求输出电压VO=4V左右，所以取R1：
R2=3：
5.
阻值取值：
R1取3K，R2取5.1K。
最终VO=4.01V。
TL431的管脚图如下，图4.5：
图4.5TL431管脚图[5]
4.3.4有源LPF
电压控制子系统的关键是有源低通滤波器，它的作用是把PWM波中的直流分量给滤出来。
有源低通滤波器采用运放及其外部电路组成，电路图如图4.6所示。
图4.6低通滤波电路图[4]
采用的是SALLEN-KEY结构滤波器，其工作过程如下[4]：
1.对于低频的输入信号，C1，C1可以看作开路，此时信号直接输入集成运算放大器的正向输入端，而直接从输出端输出。
2.对于高频的输入信号（信号频率远大于滤波器截止频率），C1，C2可以看作短路此时高频信号直接从C1流入接地线，而不在输出端出现。
3.对于频率接近截止频率的信号，C2引入的正反馈可以决定信号的增益。
有源滤波器相对于RC无源滤波的优势有两个，一为输出阻抗小，可以带比较大的负载，其二为可以有增益。
关于LPF的电路具体分析：
如图4.6所示电路，我们取R1=R2=R，C1=C2=C，用S域分析法，对该电路进行计算分析。
首先由M点的节点电流可以得到方程：
在由P点的节点电流可以得到方程：
由方程
（1），
（2）消去
，令s=jw，即可解得：
令分母的模为
，就可求得截止频率和电路的本振频率
之间的关系。
所以，于是解得：
，其中，fp为截止频率。
于是，我们确定了电阻电容的取值，
最后通过示波器测出的截止频率为9.7Hz，比较符合要求。
接下来要探讨的是直流分量的问题。
要最终能够得到直流分量，因此，我们必须把输入的PWM信号进行傅立叶级数展开分析，具体如下：
设PWM信号的方程为
，
由傅立叶级数展开公式：
于是，可以基本算出Vctl≈Vh×
r（r为占空比，Vh为PWM波的峰值）。
其中LM741管脚图如下（图4.7）：
图4.7LM741内部结构及管脚定义图[5]
在本模块中，工作在双电源模式。
VCC为正电源，接＋5V。
VEE为负电源，接－5V。
4.3.5信号变换与隔离
主要是由一4N25芯片完成。
芯片内部结构见图4.8，
图4.84N25内部结构及管脚图[5]
管脚定义：
１：
[ANDOE] 阳极
２：
[CATHODE] 阴极
３：
[N.C.] 悬空端
４：
[EMITTER] 发射极
５：
[COLLECTOR] 集电极
６：
[BASE] 基极
光电耦控制
图4.84N25控制电路图[4]
电压信号通过发光二极管转成光信号，另一端的接收二极管再把光信号转成电阻值与R12并联，从而最终完成整个电压控制系统。
4.3.6CD4011内部结构和参数
CD4011为四路二输入与非门，其内部结构及管脚定义如图4.9所示。
芯片工作时，逻辑高电平输出等于VDD。
本模块就是利用其此特性，将信号反向后整流。
图4.9CD4011内部结构图及管脚定义[6]
问题说明
在把整个电压控制子系统借好后，在调试时可能会遇到这样的电压控制达不到5~10V的范围，可以调电位器R12来解决此问题。
或更换R11和R13，抬升或降低整个输出电压，也可以减小Rctrl从而使光耦工作范围更大。
5.电压测量子系统的硬件设计
5.1主要功能和设计指标
对DC-DC输出电压进行测量，并将测量结果通过0804进行AD转换，将AD转换的结果反馈给单片机控制系统；
单片机把AD反馈给他的数与系统内储存的标准值比较，进而对DC-DC输出电压进行精确调节
数码管显示输入电压，DC-DC输出稳定的直流电压（范围为5——10V），两者之差不超过0.05V，并且调整R14后数码管显示电压值与之前显示值之差不超过0.05V。
5.2方案的一般原理和逻辑框图
电压测量子系统主要由光耦合芯片4N25，A/D转换芯片ADC0804，基准源芯片TL431组成。
首先4N25在该系统中完成信号变换和隔离的作用，将Vo的变化转换成Va的变化，4N25输出的电压动态范围应尽量大，以提高编码精度。
然后利用A/D转换芯片ADC0804对DC-DC电源的输出进行采样，并对采集到的电压进行模数转换，然后将转换结果8位二进制编码输入到单片机子系统，进行比较并调整输出，完成闭环反馈功能。
三端可调分流基准源芯片TL431则负责提供稳定的基准电压。
该子系统图如下（图5.1）：
图5.1电压测量子系统框图[7]
5.3设计设计方案中主要部分和参数的说明
这部分队对上述提到的各个小模块分别进行详细阐述。
稳压电路：
为ADC0804转换提供稳定电压，并提供稳定的参考电压。
其原理与“4.3.3基于TL431的基准电压电路”一致，电路设计也同电压控制子系统中一致。
信号变换电路：
与开环系统中提到功能类似，只是要求有所改变。
4N25输出的电压动态范围应尽量大，以提高编码精度，我组动态范围为1.15V~3.34V（主要靠调节R1、R2值来实现，建议将这两个换为变阻器以便于调节）。
同时4N25也需要一个稳定的基准电压，同样考虑用TL431来产生此稳定的基准电压，原理如上，不再赘述。
电路图如下：
图5.2光耦图[4]
A/D转换电路：
通过使用ADC0804，将Va转化成编码。
AD的引脚图以及部分外部电路图如下。
4脚、19脚以及8脚、10脚的连接如图5.3所示。
图5.3A/D芯片引脚图以及部分外部电路[5]
图5.4A/D外部电路[4]
图5.4中，VA为信号转换电路产生的输入电压。
图中所示基准电压也是由TL431产生的，我组的基准电压值为4.05V。
R3与R4分基准电压给0804的VIN（-）端一个稳定的内部编码起始电压，R5与R6分基准电压给0804的Vref/2端一个内部编码的终止电压，即0804的内部电压编码范围为Vin（-）~Vref。
基于此工作原理，为了尽量利用0804的编码资源，设VA∈[VAmin,VAmax]，定义K=（VIN（+）–VIN（-））/Vref，则电阻取值须满足以下几条[4]：
a）取R3、R4，使VIN（-）<
≈VAmin即Kmin>
≈0；
b）取R5、R6，使
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