工程实践与科技创新-第91组(余迪)设计报告

工程实践与科技创新-第91组(余迪)设计报告内容摘要：

形滤波，将具有相应占空比的 PWM信号转化为稳定的可变电压，然后通过光耦合对 DCDC 开关稳压电源模块 进行控制，从而改变输出电压。 该模块 由整形、有源低通滤波、信号隔离变换 3 个电路模块组成。 该模块的结构示意图如图 所示。 第 5 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 2 . 4 电压控制模块结构示意图 [ 1 ] 单片机小系统 单片机 小系统 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。 ATmega16 有 16KB 的程序存储空间， 1KB 内部 SRAM， 512B 内置 EEPROM。 外部共有 32 个 GPIO，一路 USART，一路主从 SPI，一路 I2C，两个 8 位定时器，一个 16 位定时器，4 通道 PWM 输出， 8 路 10 位 AD 输入。 用户通过晶体数码管和按键实现外部控制，完成相应功能。 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 A/D 芯片 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。 第 6 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 3. DCDC 开关 稳压 电源 模块 的 设计 主要功能和指标 DCDC 开关 稳压 电源 模块 的主要功能 是 将一输入不稳定的直流电压（ 2030V）变换为输出稳定的直流电压（ 510V 可调）。 .在此 DCDC 开关 稳压电源模块 工作时，可以通过调节电阻串联的电压采样支路上滑动变阻器的大小来调节输出的电压。 其设计指标如表 所示。 表 DCDC 开关稳压电源模块设计指标 [1] 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 电压调整率 % 电流调整率 1% 输出电压纹波 100mVpp 效率 65% 截止电流值 设计原理及 电路图 本模块 工作时，由 TL494 输出一个周期 PWM 波控制开关三极管的开与关即导通与截止，当开关三极管基极为低电平时，开关三极管导通，电源对储能电感充电，当开关三极管基极为高电平 时，开关三极管截止，储能电感 放电，由于 TL494 输出的是周期 PWM 波，故模块 不断地重复上述过程。 当输出频率足够高时，电源输出电压近似为一稳定值。 本模块 PCB板电路图如图 所示。 图 3 . 1 D C DC 开关稳压电源模块 P C B 板电路图 第 7 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 TL494 简介 管脚如下图所示： 1） 1IN＋：差分放大器 1（ Error Amplifier 1）同向输入端 2） 1IN－：差分放大器 1（ Error Amplifier 1）反向输入端 3） FEEDBACK：差分放大器输出端的反馈信号 4） DTC：死区时间控制（ DeadTime Control Comparator）输入端口 5） CT： RC 振荡器（ Oscillator）电容接口 6） RT： RC 振荡器（ Oscillator）电阻接口 7） GND：接地 8） C1： 1 号输出集电极 9） E1： 1 号输出发射级 10） E2： 2 号输出发射级 11） C2： 2 号输出集电级 12） Vcc：正极输入 13） OUTPUT CTRL：输出控制端 14） REF：基准电压输出 15） 2IN－：差分放大器 2（ Error Amplifier 2）反向输入端 16） 2IN＋：差分放大器 2（ Error Amplifier 2）同向输入端 TL494 主要起到输出 5V 基准电压、输出 PWM 波并根据采样得来的电压与参考电压得分压比较后改变输出 PWM 波的占空比以及限流的作用。 TL494 是美国德州仪器公司生产 的电压驱动型脉宽调制器，可在显示器、计算机等系统电路中作为开关电源电路。 其主要特性如下： （ 1） 集成了脉宽调制电路。 （ 2） 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。 第 8 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 （ 3） 内置误差放大器。 （ 4） 内置 5V基准电压源。 （ 5） 可调整死区时间。 （ 6） 内置功率晶体管可提供 500mA的驱动能力。 （ 7） 推或拉两种输出方式。 TL494 内部功能框图如图 所示， 其工作原理 如图 所示。 输出电压的采样值通过 1IN＋端输入误差放大器 1（ Error Amplifier 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（ PWM Comparator）的判决门限，从而使得 PWM 比较器输出占空比动态改变的 PWM 波控制开关三极管 Tip42 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。 而输出电压的调节是通过改变图 R1 R12 、 R1 R14 组成的电压采样的电阻分压网络中的电阻参数来实现的。 图 3 . 2 TL 4 9 4 内部功能框图[2 ] 第 9 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 3 . 3 TL 4 9 4 工作原理解说图[ 1 ] 外围电路设计 1. 工作频率 的确定 开关电源的工作频率（ PWM 波的频率，即三极管开 关的频率）是由 TL494 芯片 5 号管脚上的电容 C3 和 6 号管脚上的电阻 R7 决定的，他们的关系为： 增大工作频率可以抑制纹波，但同时也会使效率变差。 经过老师的指导以及我们小组实际实验结果，我们选取 C3 = 1000 pF， R7 = kΩ，此时 2. R R2 的选取 R R2 作为开关三极管的基极电阻，可以控制开关三极管的工作状态。 适当地 增加 RR2 的阻值 可以降低导通三极管的饱和深度，减小纹波幅度及尖刺， 但同时系统的效率也会相应的下降。 所以 R R2 的阻值需要在调试中根据实际情况确定其值，在满足效率大于 65%的情况下尽量减少纹波毛刺的大小。 在实验中 我们曾因为电感量过大而烧过 R1，因此最终我们选择了 390Ω的电阻作为 R1， 选择一个 51Ω的电阻作为 R2。 3. 输出电压采样电路的参数选择 输出电压采样电路如图 所示。 输出电压 Vout经 R1 R1 R13和 R14组成的串联分压网络后，从误差放大器 1 同相输入端输入，与 Vref经 R R8 的分压进行比较。 稳定时要求放大器两输入端电势差约等于 0，即有下面等式： 第 10 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 此外 ， C2 和 R3 的串联支路是为了防止误差放大器产生自激振荡， R4 决定误差放大器的增益倍数。 最终我们选取 R5 = ， R8 = R11 = R13 = kΩ， R12是一个 22 kΩ 的可变电阻，而 R14是 100Ω的可变电阻。 C2 = uF， R3 = 47 kΩ， R4 = 1 MΩ。 图 3 . 4 输出电压采样电路图[ 1 ] 4. 限流保护电路的参数选取 限流保护电路如图 所示。 图 3 . 5 限流保护电路 若误差放大器的反相输入端的 电压值大于或等于正相输入端的电压值时，系统将输出过流保护。 设限流值为 I，则电阻网络应满足： 其中 I = ， R10 = ，计算可得 R6， R9 的电阻值 ， 150Ω。 但在实验中我们发现， R10的值根本不是 ，而是接近。 因此，我们最终选取 R6 = ， R9 = 120Ω。 5. 电感及电容的选取 第 11 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 储能电感 L 的电感量将直接决定输出电压纹波的幅度、波形 ，因此对储能电感的绕制工艺要求很高。 我们小组首次绕制储能电感时，因为过分追求降低纹波幅值，绕制了很大电感量的储能电感（约 5mH 左右），结果导致开关三极管电流过大，烧毁了开关三极管、 R1 和 TL494。 最终，我们绕制的储能电感表测值为 1mH。 6. 参数一览表 我们小组 DCDC 开关稳压电源模块的参数选择总结如表 所示。 表 DCDC 开关稳压电源模块参数一览表 元件 参数 元件 参数 元件 参数 C1 100uF R4 1MΩ R12 0~22kΩ C2 R5 R13 C3 1000pF R6 R14 0~100Ω C4 470uF R7 RL 10Ω C5 100uF R8 L R1 390Ω R9 120Ω PNP 三极管 Tip42 R2 51Ω R10 二极管 1N5822 R3 47kΩ R11 第 12 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 纹波与效率 抑制纹波可以采取的措施尽管 节有所提到，但是这里还是系统的总结一下： 1. 增大储能电感的电感量。 2. 提高开关的频率。 3. 降低开关三极管导通深度。 4. 增大滤波电容 C5。 但是，如果一味地追求更小的纹波，就会导致很差的效率。 原因如下： 1. 开关频率 增大开关频率后，会导致单位时间内开关三极管以及该模块内其他耗能元件（如电阻等）消耗的电能增加。 在同样的输入功率情况下，模块内部消耗的功率越大意味着输出的功率越小，这样效率就越差。 2. 开关三极管导通深度 降低开关三极管的导通深度，会直接导致开关三极管的开关过渡状态时间增加，于是三极管消耗功率会急剧增大，结果是效率明显降低。 从上面的讨论我们可以看出，对于开关频率与开关三极管的导通深度的调整，对输出纹波与效率的影响是相反的，这就需要在输出纹波的大小与效率的大小之间做一个折中处理。 所以在实际的调试中，不可一味地追求纹波小或者效率高，找到一个两边都能够满足要求的方案才是正确的解决方法。 第 13 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4. 电压 检测 模块 的硬件设计 原理简述 电压测量子系统主要依靠单片机 ATmega16 内部的 A/D 转换模块，将模拟量转化为数字量，使单片机以此作为反馈量对开关电源进行闭环控制。 DCDC 开关电源子系统的输出电压经过 4N25 后进行信号变换，得到合适的电压值 Va， ATmega16 对 Va和参考电压 Vre f的差值进行量化、编码，单片机根据程序对输出占空比进行微调，实现对于电压的更精确的控制 . 主要功能和指标 电压检测模块的主要功能是将输出电压进行变换以及产生一个稳定的参考电压，并将两者送入单片机的 A/D 转换接口。 其技术指标如下： 输入电压范围： ~。 信号变换 精度：误差≤。 设计原理及电路图 根据单片机的 Datasheet ， A/D 芯片有两种方案进行 A/D 转换，一种是单端输入，另一种是差分输入。 为了改善编码空间的使用效率，用足 10 位 ADC 编码空间，我们选择差分输入的方式。 电压检测模块电路如图 所示。 图 4 . 1 电压检测模块电路图 DCDC 开关稳压电源模块的输出电压（ 510V 直流）作为电压检测模块的输入，经过分压后作为一个输出，另一个输出信号是由 TL431 产生的一个稳定的参考电压。 前者送入单片机 ADC0(V+)管脚，而后者送入单片机 ADC1(V)管脚。 TL431 简介 第 14 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref（ ）到 36V范围内的任何值。 该器件的典型动态阻抗为 ，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。 图 所示的是 TL431 的管脚图、功能结构图以及实际结构图。 TL431 的 三个引脚分别为参考（ Reference），阳极（ Anode） ,阴极（ Cathode）。 Vref是一个内部的 ，接在运放的反相输入端。 由运放的特性可知，只有当 REF 端（同相端）。