系统设计实践与创新1第65组殷诗泊设计报告Word格式文档下载.docx

资源描述

系统设计实践与创新1第65组殷诗泊设计报告Word格式文档下载.docx

《系统设计实践与创新1第65组殷诗泊设计报告Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系统设计实践与创新1第65组殷诗泊设计报告Word格式文档下载.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

系统设计实践与创新1第65组殷诗泊设计报告Word格式文档下载.docx

能实现直流电压输入，直流电压输出的电路。

降压型DC-DC开关电源：

利用场效应管电路系统将10V的电源输入转化为5V的电压输出。

双电源：

两个DC-DC电源并联输出，为同一负载供电，提高功率输出。

均流控制：

指双并联的电源在稳压输出的情况下调整电流输出，使得各个电源的输出电流相等。

纹波：

输出端呈现的与输入频率及开关变换频率同步的分量，其大小可以用峰峰值Vp-p值表示。

开关频率：

开关电源中，开关管导通的频率。

1.3硬件开发环境

稳压电源，示波器，电烙铁，NIMyDAQ

1.4软件开发环境

Protel99SE（查看电路图），AltiumDesigner10.0（设计电路布局）

1.5缩略语

DC-DCDirect-Current-Direct-Current

直流－直流转换器，将直流输入信号转换为需要输出大小的直流信号。

PCBPrintedCircuitBoard

印制电路板，电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。

PWMPulseWidthModulation

脉冲宽度调制，指一定频率的占空比可变方波信号。

2.系统总述

2.1系统组成

图2.1系统组成示意图[1]

降压型DC-DC开关式稳压电源系统是由自动检测系统控制的DC-DC电压转换系统，可以将10V的直流输入电压转换成5V的稳定的直流电压输出。

本系统主要由稳压电源部分及自动检测部分组成。

稳压电源部分由稳压电源模块和稳流电源模块两个模块组成。

系统组成框图如图2.1所示。

2.2系统的主要功能

2.2.1系统整体功能

1.稳压功能：

输入为10伏的不稳定直流电压，输出为5伏的稳定直流电压。

输出性能指标能达到：

输出限流值1.1A，效率大于等于70％，负载不变时电压调整率小于等于0.5％，变化时小于等于3%。

2.稳流功能：

输入为10伏的不稳定直流电压，输出为0.3—1A可调的直流电流。

输出限压值5.5V，效率大于等于70％，负载不变时电流调整率小于等于2％，变化时小于等于5%。

3.双电源均流：

两块DC-DC电源给负载（水泥电阻）供电，负载两端电压稳定，两块DC-DC电源的输出电流基本相等。

满载时负载均衡度小于等于7%，过载时小于等于10%。

4.自动检测系统：

NIMyDAQ检测电源系统开机动态响应曲线与电源系统负载均衡度，显示负载均衡度实时变化曲线。

负载均衡度性能指标能达到：

测量绝对误差≤1%，显示分辨率0.1。

2.2.2DC-DC开关稳压电源模块

该系统主要由TL494，N沟道大功率场效应管P11NB40，储能电感，水泥电阻加上一些电容和电阻构成，主要实现DC-DC降压功能。

TL494通过对输出电压的采样和基准电压之间的比较，产生PWM波，从而来控制场效应管P11NB40的通断，最后通过储能电感的充放电来达到使输出电压稳定的目的。

具体如图2.2所示：

图2.2DC-DC开关电源组成示意图[1]

2.2.3DC-DC开关稳流电源模块[2]

本系统设计一个开关稳流电源，目标是可以控制输出端的电流，使之能在0.1~1.0A区间的每0.1A输出，能有一定的稳定度。

2.2.4MyDaq自动检测系统模块

3.DC-DC开关稳压电源模块的设计

3.1主要功能和设计指标

3.1.1功能描述

本次系统设计课程中的DC-DC开关稳压电源子系统的主要功能为将输入的不稳定的10V直流电压变换为5V稳定直流电压输出。

此模块既可单独工作，也可与DC-DC开关稳流电源、电子负载及MyDaq自动测量系统连接，实现双电源均流稳压输出及自动测量的综合系统。

3.1.2技术指标

表3.1DC-DC稳压电源模块独立基本技术指标[4]

检测项目

检测条件

检测方法

评分规则

输出电压绝对精度

Rload=5Ω

测量输出电压。

4.75~5.25V，得5分

输出电压变化率

间隔1分钟，两次测量输出电压。

电压起伏小于等于5%

Rload=5Ω和10Ω

两种负载下测量输出电压，分别记作满载和半载电压，计算变化率。

小于等于0.5%，得15分

输出限流值

Rload=3Ω

测量输出电流

1.04~1.16A，得5分

电源变换效率

测量输入电压、电流，输出电压、电流，计算效率。

大于等于90%，得30分

3.2原理和逻辑框图

图3.1DC-DC稳压电源模块电路原理图[5]

TL494是美国德州仪器公司生产的电压驱动型脉宽调制器，作为本DC-DC开关电源子系统的核心元件，其主要作用有：

（1）输出5V基准电压；

（2）比较采样所得电压与5V基准电压；

（3）依比较结果改变输出PWM波的占空比；

（4）输出PWM波；

（5）限流。

TL494的内部结构如图3.2所示，其工作原理为输出电压的采样值通过1IN＋端输入误差放大器1，1IN－端的输入为5V的基准电压。

误差放大器1将电压采样值与基准电压进行比较，当采样电压大于基准电压时，误差放大器的输出端对VA进行充电，从而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的变化会改变PWM比较器（PWMComparator）的判决门限，从而使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波控制场效应管P11NB40的开与关，使得电感处于不断的充、放电状态之中（相应的三极管处于截至与导通状态），从而实现输出的电压仅产生幅度很小的纹波而使输出电压保持恒定。

图3.2简化的TL494的内部结构图[6]

图3.3为降压型DC-DC开关稳压电源的基本结构图，该电路通过选择开关SW的开或关来控制电路处于开或关两种工作状态：

当开关SW闭合时，如图4.4所示，电源电压

对储能电感L进行充电，电感L中不断积累电能，同时导致负载电阻

上的输出电压上升，此时由于二极管两端加的是负电压，因此二极管D截止。

当开关SW断开时，如图4.5所示，由于二极管D的存在，二极管导通，从而电感通过二极管形成回路放电，使得负载电阻

上的电压基本保持恒定而不会骤降为0，由于电感中的电能不断减小，

上的电压会逐渐的下降。

当开关SW的开和关的频率足够高时，就能够保证负载电阻两端的输出电压纹波的幅度相对就较小，从而保持输出电压基本保持恒定。

图3.3开关电源模块硬件结构图（降压型DC-DC开关稳压电源）

图3.4开关稳压电源的开关闭合状态图3.5开关稳压电源的开关断开状态

3.3模块设计和参数选取

3.3.1电路设计及元件参数选取

1．工作频率的确定

开关电源的工作频率（PWM波的频率；

场效应管的开关频率）是由TL494芯片5脚上的电容C10和6脚上的电阻R10决定的：

在实验中，为了抑制输出电压的纹波，我们决定牺牲部分效率适当加大工作频率，选取R10=6.8k

，C10=0.001μF。

此时，系统的工作频率为：

2．以IR2104为核心的驱动电路设计

由图3.6可知当~SD取高电平时后级输出的晶振和IN保持同步，即PWM占空比不变，输出为推挽式，HO交替地取VB和VS的电平，其中VB为高电平，此驱动电路起升压作用，使输出PWM高电平时能让场效应管完全导通，使其在整个PWM周期内工作在开关状态。

图3.6IR2104内部原理图[7]

图3.7IR2104外围电路设计图[5]

3．以LM324为核心的电流采样电阻网络的设计

电流采样放大网络如图3.8所示，其作用为将采样电阻两端电压放大十倍。

图3.8电流采样电阻网络原理图[5]

由虚短虚断及基尔霍夫定律，得：

上式中前式由于2M电阻的存在，为一小量，用于调零。

后式用于放大十倍，则ISCV+和ISCV-前的系数应都为10，由此得增益为：

4．TL494过流保护电阻网络设计

限流值为1.1A，则由TL494标准5V输出实际值为4.96V，得：

3.3.2元件清单

表3.2DC-DC开关电源子系统元件清单

元件

元件参数

470uF

C10

0.001uF

R16

10k

P11NB40

0.1uF

C11

R17

47k

1N5822

C12

7.8k

R18

1N5819

0.1

R10

6.8k

R19

IR2104

R11

R20

TL494

1uF

0~10k

R12

R21

20k

LM324

R13

R22

10nF

R14

R23

2.2k

R15

R24

4.DC-DC开关稳流电源模块的设计

4.1设计目标

4.1.1功能

本模块可以将10~20V的直流电压通过DC-DC脉宽调制输出0.1A~1A的电流，具体电流值由master（即相应的稳压源）提供的参考电压确定。

当负载阻抗过大达不到指定输出电流时将会限压，限压值在5.5V左右。

本模块除了可以作为slave工作，也可以独立工作，在独立工作状态下，使用板上自带的稳压点，输出1A的电流。

4.1.2指标[1]

表4.1降压型DC-DC开关稳流电源模块的设计指标

项目

指标

输入电压

10V

输出电流

0.1~1A

电流调整率

0.5%

效率

83%

输出电压上限

5.2~5.8V

4.2电路总述

4.2.1基本设计原理

本系统通过PWM波控制MOS管驱动芯片，再由驱动芯片控制MOS管漏极源极间的通断，使电路处于导通和截止两种工作状态。

其中PWM波由TL494产生。

当PWM信号为高电平时，MOS管导通，电源电压对储能电感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，MOS管断开，此时二极管两端为正向电压，处于导通状态，从而电感通过二极管放电，从而导致负载电阻RL两端电压下降。

当通断频率达到一定程度后，由于电感电容的蓄能效应，输出的电压电流将能够稳定在一个合理的波动范围内，从而视为可以稳定供电。

输出端并联了0.1Ω的采样电阻，通过LM324进行十倍放大后输入TL494中作为参考电流值。

该系统的输出电压（电流）最终是受到PWM波占空比的控制的，而占空比会随TL494芯片电压比较输入端的稳压点确定。

4.2.2电路图[2]

图4.1DC-DC稳流源的电流采样和PWM发生电路

图4.2DC-DC稳流源的MOS驱动和直流变换电路

4.2.3元件参数

表2.2DC-DC稳流源的元件参数列表

参数

10KΩ

1KΩ

100KΩ

2MΩ

39KΩ

0.1μF

4.3重要元件与电路的参数及设计

4.3.1TL494简介及工作原理[3]

TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应用在各种开关电源中。

在本模块中，TL494通过产生PWM信号起到关键的稳压作用。

图2.3所示是其封装好的成品，图2.4是其内部详细的电路图，表2.3是其每个管脚的定义。

图4.3TL494芯片封装

图4.4TL494内部电路示意图

TL494通过差分放大器1（图2.4中Erroramplifier1）的两个输入端接收两路电压信号，1端口接收输出电压的采样值，2端口接收经过分压后的锯齿波型的Vref。

差分放大器1将两者进行比较，当采样电压大于基准电压时，其输出端输出高电压；

当采样电压小于基准电压时，输出端输出低电压。

采样电压的不断变化时差分放大器的输出不断变化继而引起了PWM比较器（图2.4中PWMcomparator）判决门限的改变，最终输出占空比动态改变的PWM波。

TL494还另外引入了两个关断条件。

一是死区时间控制比较器（图2.4中Dead-TimeControlComparator），可防止开关管常开，保证在1个开关周期里至少有Dead-Time时间是关断的。

另一个是差分放大器1（图2.4中Erroramplifier2），它能起到输出过流保护的作用，输出电流采样值从2IN+端输入，原理与差分放大器1类似。

表4.3TL494管脚名称与作用

编号

端口名称

作用

编号

1IN+

差分放大器1同向输入端

1号输出发射极

1IN-

差分放大器1反向输入端

2号输出发射极

FEEDBACK

差分放大器输出端的反馈信号

2号输出集电极

DTC

死区时间控制输入端口

Vcc

供电电压输入

RC振荡器电容接口

OUTPUTCTRL

输出控制端

RC振荡器电阻接口

REF

基准电压输出

GND

接地

2IN+

差分放大器2同向输入端

1号输出集电极

2IN-

差分放大器2反向输入端

4.3.2场效应管驱动IR2104[4]

IR2104是由InternationalRectifier公司生产的半桥驱动芯片，性能指标优秀，驱动能力强，通断时间短，可用来驱动MOSFET管。

在本实验中，该芯片可以理解为TL494的PWM波增强电路，由于TL494芯片本身驱动原理的限制不能够直接用来驱动本实验中使用的MOSFET管，故采用IR2104进行桥接。

4.3.3外围电路设计

4.3.3.1TL494的RC振荡器频率设计

图4.5DC-DC稳流源——RC振荡器部分

如图2.5所示，TL494的RC振荡器必须有外接的电阻与电容才能为芯片提供一频率固定的锯齿波，f=1/（R*C）=1/（10^-9*10*10^3）=100KHz。

4.3.3.2限压（限流）电路设计

图4.6DC-DC稳流源——限流部分

如图2.6所示，TL494的15、16引脚所在的比较器用来进行限流设置。

负端接入5V的参考电压，正端则通过R14与R21分压得到一个输出检测电压的分量。

根据电阻配比测算，当输出达到5.4V左右时，正端电压将达到或超过负端电压，从而限制输出电压（电流）。

4.3.3.3Slave稳流设点端口设计

图4.7Slave信号接收端口

如图2.7所示，由电压源提供的电流信息将通过J2口输入本系统中。

当没有输入时，R19与R20将分压产生一个约1V的信号，从而将工作点稳定在1A左右。

当有外部信号输入时，由于R19与R20的阻值均较大，而J2口是电压源通过运放输出的，有很强的驱动能力，所以可以视为此时稳流设点电压就是电压源输入的电压，从而完全接受电压源的控制。

4.4专项讨论

4.4.1电流源的效率

电流源的效率与众多因素有关，如电感电容值的选取、电感的品质、整体电路的损耗、MOSFET管通断的控制、以及负载的情况等等。

通常来说，减小MOS管的通断频率是最行之有效的提高效率的手段，但通断频率过低会导致严重的纹波，从而使得系统变得无法使用。

由于本次设计暂未提出纹波指标的要求，所以本组取了100KHZ这样比较折中的通断频率，从而获得了较为理想的电流源效率，同时纹波也在可接受范围内。

5.双模块合体并联系统

5.1主要功能和设计指标

5.1.1功能描述

双电源均流稳压输出系统以主从均流方式，以稳压源为主机，稳流源为从机，电子负载为可调负载，MyDaq为测量仪表，笔记本电脑为终端，labview为控制界面，实现双电源均流稳压输出

5.1.2技术指标

表5.1两电源模块并联输出基本技术指标[4]

满载时均衡度

个.1iew为将电压，分别记作满载电压Rload=2.5Ω

测量输出电压和两路输出电流。

电压源输出电压应在指标许可范围内，均衡度，小于等于1%，得20分

过载时均衡度

Rload小于等于2Ω

测量两路输出电流。

电压源输出电流应在限流指标许可范围内，均衡度，小于等于1%，得20分

5.2原理和逻辑框图

图5.1双电源稳压均流输出及自动测量系统[1]

本系统采用主从均流实现双电源均流稳压输出，主机为稳压源，从机为稳流源，从机的电流跟随主机的电流并保持一致，主机的+5V稳压作为电压输出。

具体实现方法如下:

如图5.2所示，稳压源的电流采样放大后的信号通过一个增益为1的加法器与MyDaq输出的精调电压相加，得到Iref-OUT，输出给稳流电源，以代替本来稳流电源模块的1V基准比较电压，如图5.3所示。

由于两个电源均采用增益十倍的电流采样电阻网络，故稳流源的输出电流可以和稳压源的输出电流保持一致，最终实现均衡度1%以内的最高要求。

图5.2稳压电源的基准对比电压Iref-OUT的生成电路原理图[5]

图5.3稳流电源的比较电压Iref-IN输入原理图[8]

6.致谢

首先，感谢袁焱老师在系统设计与实践讲座课堂上给予的悉心讲解和指导；

其次，感谢实验室4-103和4-105老师的悉心帮助以及遇到问题时耐心的解答；

另外，还要感谢实验室助教老师对于实验仪器的维护和管理。

最后，感谢与我们一样奋战在系统设计与实践实验室中同学们，在遇到困难或疑问之时及时的解答和相互探讨，使得我们最后的成果更加完善。

7.参考文献

[1]上海交通大学电子工程系，系统设计与创新实践[1]系列讲座。

[2]系统设计[1]-第31组（李倩璐）设计报告。

[3]系统设计[1]-第31组（周新同）设计报告。

[4]上海交通大学电子工程系，系统设计与创新实践[1]课程任务要求。

[5]上海交通大学电子工程系，系统设计DC-DCCV电路原理图

[6]TL494DataSheet

[7]IR2104DataSheet

[8]上海交通大学电子工程系，系统设计DC-DCCC电路原理图

8.附录A系统操作说明书

实物图如图8.1所示：

图8.1DC-DC开关稳压电源实物图

选用电路板为DC-DC开关稳压电源，在输入端Vin（+）和Vin（-）端接入10V的电压，满载与轻载时，就可以在水泥电阻两端获得5V的稳定电压。

9.附录B测试和分析

9.1测试项目和方法

9.1.1DC-DC稳压电源模块的测试

测试项目：

输出电压绝对精度，输出电压变化率，输出限流值，电源变换效率。

测试方法：

展开阅读全文