科技创新-设计报告dc-dc开关电源及其控制系统

科技创新-设计报告dc-dc开关电源及其控制系统内容摘要：

信息与电气 工程学院 TL494 的原理图见 图 31。 由内部振荡器、误差放大器、电压比较器，输出驱动等部分构成。 首先内部的 5V稳压器产生一个内部 5V电压。 内置振荡器产生一个锯齿波的信号，其电压范围约为 0~5V，用于和误差信号比较。 误差放大器放大参考电压与电源输出电压的差值。 差值介于 0 到 5V 之间，（负压被二极管截断）。 误差信号与锯齿波通过运算放大器比较。 由于锯齿波线性地由 0V变化到 5V，因此比较后得到的信号就是需要的 PWM电源控制信号。 后级的 D 触发器本电路中又 Output Control 管脚配置为无效。 后极的两个三级管驱动只使用了一个。 当为推拉式电源才需要使用两个。 输出电压的设定 图 32 电压设定电路图 [1] 第 9页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 TL494 的第一个误差放大器用来控制输出电压值。 根据电路结构，调节 R12 和 R14 能使输出电压达到 5 到 10V。 实验中取 R5=R8=10KEYΩ，于是参考电压为。 输出稳定电压时， pin1 与pin2 电压相等，也为。 根据这样的关系可以设定电路的参数。 见。 第二个误差放大器用于过流保护，限制输出电压的最大电流。 电压由 TL494 芯片的 pin15 及pin16 输入，电流在电阻 R10 两端的电压反馈到误差放大器二。 当电流过大时，反馈电压很大，误差放大器二将电路锁死，使电压不再增加。 从而实现了过流保护功能。 子系统主要电路结构和参数 电路结构 电路结构如 错误 !未找到引用源。 所示。 图 331 DCDC 子系统电路原理图 [1][3] 参数的设定 本节中的电 阻电容编号与 PCB板上的编号相对应。 PWM频率的设定 C3， R7 用于确定 TL494 内部振荡器的频率。 TL494 内部特性决定了频率满足公式 [2]： 第 10页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 TTosc RCf  通过试验调整，最终取 C3=， R7=。 实际 fosc 约为 90KEYHz 误差放大器相关外围电路参数设定 R4 是 3 端接的反馈电阻，与 R5 一起确定 误差放大器的增益。 若设定的误差增益为200。 取 R4=1000KEYΩ R5= 限流误差放大器 与误差放大器二相连 的 R R R15用于限流保护 若限流值为 1A。 由于稳定时 V15=V16，限流电阻既定 =， 则 V15=V16=。 R R9 对参考电压 5V分压得到 V1 V16， 若取 R6= R9=150Ω。 则 V1 V16的 实际值为)( 5 96 6RR R= ，限流值 电流为。 开关三极管 TIP42 静态工作点的设置 开关三极管 Q1 在 b 极为低电平时截止，高电平导通， R1 、 R2 为 Q1 提供适当的工作点。 为了使纹波变小，可以使用让三极管工作在临界饱和区的 方法 [1]。 这样可以减小导通时三级管产生的噪声，但是会降低电源的效率。 实际取 R1=300Ω、 R2=100Ω。 问题讨论：纹波和电源效率 DCDC 开关电源的设计中，我们总是希望纹波小，而电源效率高。 而实际中，这两者是矛盾的。 如何优化这两者的关系，使电源处于一个折中的水平的是一个需要讨论的问题。 纹波的来源 纹波主要由如下几方面产生。 控制开关三极管 PWM 的频率越小，纹波越大。 因为充放电的时间长，导致电压上下起伏。 在示波器上的波形为波形的上下起伏，其频率和 PWM频率相同。 开关三极管的工作状态。 当三极管工作从 深度饱和到深度导通时，会产生很大的噪音，即高频的抖动信号。 在示波器中观察到的波形通常为一个含有丰富高频分量的尖峰脉冲。 电源效率的损失 效率主要是在开关三极管 TIP42 上损失的。 开关 的闭合 越频繁（ PWM 频率越高）损失的功率就越多。 同时，工作在浅饱和区相对于深度饱和也会增加总的功率损失。 第 11页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 问题的解决方法 在纹波允许的情况下，频率应当尽量调低。 频率是影响纹波最直接的一个因素。 当然为了达到一定的功率和稳定度，频率要求又不能太低。 因而在保证纹波满足的条件下尽可能加大频率。 在频 率不可调低的情况下，增大负载两端的电容也是有效的方法。 但是一般大电容的价格较高，同时大电容会引起系统上电时较大的瞬间冲击电流。 电感过大时，示波器上观测到的波形会有瞬间电压下降的现象，且下降是在三极管一阻断时就发生的。 这是由于电感处在了磁饱和区。 当电感放电时，由于磁饱和时，磁通对电流的导数did很小，磁通减小很少的量，电流就瞬间变小很多。 因此应该保证电感没有磁饱和，这样对电流才有稳定的作用，即对阻性负载有稳定作用。 电感也不能过小，电感过小时，储存的能量 不够，这样纹波势必很大。 这种情况在示波器上的现实的波形的现象通常为：电压起先较为稳定，突然开始减小。 这是由于电感磁场能释放尽所致。 但是一般在实验中，这种情况不太发生。 电感感值一般偏大使磁场饱和。 第 12页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 4. 电压控制子系统的硬件设计 主要功能 本子系统主要是用来与单片机结合控制后一级输出电压。 即开环控制电路。 TL494 的控制信号此时由单片机提供，然而单片机所能提供的信号为 5V，并且不稳定，这就需要我们对输入信号进行整形， LPF 滤波，信号变换和隔离。 这就是电压控制子系统的主要功能。 系统设计指标 输入直流电压： 177。 ，由单片机按键控制电压大小，从 DCDC 开关电源子系统的负载电阻 RL 端输出单片机数码管所显示的电压值，误差≦。 系统原理 简要分析 系统原理图 电压控制子系统原理图如图 所示 图 电压控制子系统原理图 [1] 系统功能简要说明 （ 1）单片机输出占空比可调的 PWM 波，经过波形整形电路后输入给有源低通滤波器 LPF 进行滤波。 （ 2） LPF 的截止频率非常低 ,将 PWM 波滤波成直流电压信号输入给下一级信号变换和隔离电路。 （ 3）信号变换和隔离电路是一个光电耦合器件 4N25，它的主要作 用是将本子系统与下一级DCDC 开关电源子系统进行电气隔离，同时利用 LPF 输出的直流电压信号控制下一级系统的输出电压。 系统各模块设计分析 PWM信号产生及其滤波原理 PWM信号即占空比可调脉冲信号， 可以由单片机小系统产生，并用单片机来调整其占空比。 第 13页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 由此我们想到，利用 PWM波的占空比参数来表示期望的输出电压是可行的。 如何从不同的 PWM 波中解调出这个信息呢。 用低通滤波器对它进行滤波就可以了。 具体分析如下：由信号频谱分析原理可知，理论上周期方波经过低通滤波器（截止频率 方波频率）后滤出的是它的直流分量  VhV * 其中 Vh 为方波的高电压。 但是实际单片机产生的方波是由有限的谐波叠加产生的，故滤波器的截止频率应该足够低，以使滤出的波形接近于直流。 又因为我们需要用滤出的直流信号电压带动后级信号隔离及变换电路，故需要对这个信号进行放大，于是我们选取了有源低通滤波器。 整形电路模块 整形电路模块原理图如图 所示： 图 整形电路模块原理图 [1] 加入整形电路的原因 首先  VhV 单片机输出的方波高电平 Vh1 等于工作电压 Vcc，不加 整型电路时 Vh=Vh1=Vcc 于是  VccV * 但是 Vcc 取自实验室直流电源，不同的电源输出的 Vcc 会不一样， 并不稳定， 这样将会导致滤波器对相同占空比的 PWM 输入波在不同外接电源下滤出不同的直流分量，引起控制误差。 所以要加入整形电路进入滤波器前的 PWM波高电平恒定，如 图 所示。 第 14页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 整形电路的分析 基于上述分析用非门逻辑电路就可达到这个目的，使非门电路的 Vss 接稳定的电源Vccw=4V ，那么经过非门的 PWM波的高电平就将稳定在 Vh2=Vccw。 （ 1） TL431 得 到稳定电压 我们采用 TL431 与电阻网络构成这部分电路 以 得到稳定的 Vccw，如图 所示： 图 TL431 分压电阻网络 [3] TL431 的 Vref 约为恒定的 ，根据以上公式我们取 R1=3KEYΩ 、 R2=5KEYΩ， 忽略 Iref，限流电阻取 300Ω。 则在 VKEYa 端得到一个恒定的约为 4V左右的恒定电压作为 Vccw。 需要注意的是， 在选择电阻时必须保证 TL431 工作的必要条件， 即 通过阴极的电流要大于1mA。 我们选取限流电阻 300Ω，满足要求。 实际得到的 Vccw=。 （ 2）加入反相电 路 反相电路模块核心器件为 HCC4011B反相器，引脚图如图 所示： 图 HCC4011B引脚图 [4] 第 15页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 HCC4011B 反相器由 4 个与非门组成，要完成反相功能，即将同一个输入信号接到与非门的两个输入端，输出信号即为反相。 实验中，我们将单片机输出信号接入 4011B 的 12， 13 两引脚， 11脚作为反相输出。 同时， 4011B的 Vss 脚接前面得到的稳定的 Vccw=。 有源低通滤波模块 原理图 图 有源低通滤波器原理图 [1] 有源滤波器设计 有源滤波器的工作原理就是根据在信号处理中所接 触的到知识，利用泰勒展开成直流量和无穷项正弦函数的形式，再通过低通滤波器频率极低的正弦波分量可以忽略就可以得到直流分量。 同时也可以根据周期函数的拉氏变换得到。 通过跟谷晓晨老师的探讨，前者较为易于理解。 有源低通滤波器种类很多，其中有源 RC 滤波器电路的使用较多，图 给出了我们所采用的低通滤波电路，它是由 Sallen R KEYey E 1955 年提出的，图中三角符号表示电压放大器，可用运算放大器实现，电压放大倍数为： KEY=1+R2/R1 使用此滤波器的目的是将脉冲信号的直流电压分量取出来， 而尽量滤掉其他频率分量。 对于低频的输入信号， C C2 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。 对于高频的输入信号（信号频率远大于滤波器截止频率）， C 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。 对于频率接近截止频率的输入信号，由 C2 引入的正反馈可以决定对信号的增益。 截止频率 f=1/2π RC，为得到较好的滤波效果，我们选取 C1=C2=1μ， R1=R2=18KEYΩ ,此时f=，观察结果，得到很好的支流分量，其他频率分量基本都被滤掉。 使用二阶低通滤波器会得到更好的滤波效果，但我们所使用的 LPF 已经达到了很好的效果，便只采用此方法。 关于滤波器设计的更多内容见附录 E。 信号变换和隔离 模块 第 16页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 模块分析 这部分电路的主要器件是光电耦合元件 4N25，电路的作用是：用滤波器滤出的直流信号控制下级 DCDC 电源子系统，达到开环控制的目的。 原理图如图 所示： 图 信号变换和隔离模块原理图 [1] （ 1）低通滤波器输出的直流信号 Vctl 通过限流电阻加载到光耦的发光二极管两端控制发光二极管的发光强弱。 （ 2）发光二极管的发光强弱控制光电三极管 的基极输入电 流大小从而控制 C、 E 两端（见图 引脚图）的等效电阻的大小。 （ 3）等效变阻器并联在后级系统 R12 的两端，从而可以改变后级系统输出电压信号分压比，达到改变输出电压的作用。 第 17页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 核心器件 4N25 分析 图 4N25 内部结构及引脚图 [5] 图 三极管输出特性 [5] 图 为 4N25 管脚及内部结构图，通过控制发光二极管发光的强弱，来控制光电三极管基极电流的大小，从而控制集电极电流大小，此时三极管的 C、 E 两端可以看成一个可变电阻。 图 为三极管输出特性曲线。 第 18页 上海交通大学 电子信息与电气 工程学院 5. 电压测量 子系统的硬件设计 主要功能 电压测量子系统实现电路闭环功能。 系统通过对 DCDC 电源的输出采样，并对采集到的电压进行 A/D 转换，并将转换后的 8 位编码输出到单片机子系统，从而使其可以依据反馈信息对输出电压进行调整。 系统设计指标 输入直流电压： 177。 ，由单片机按键控制电压大小，从 DCDC 开关电源子系统的负载电阻 RL 端输出单片机数码管所显示的电压值，误差≦。 当调节 DCDC 开关电源电路板上的R14 后，输出电压会自动调节到原来电压，。