工程实践与科技创新 3A - 图文(2)

1. 概述

1.1 编写说明

本报告为上海交通大学电子信息与电气工程学院工程实践与科技创新3A 课程降压型DC-DC 开关电源及其控制系统的设计报告。本报告主要内容包括DC-DC 开关稳压电源模块、电压控制模块、电压检测模块、单片机小系统软件等部分的设计过程、调试过程以及使用说明。本报告旨在全面记录本实验小组的设计思路和实验过程，经验总结和心得体会，供指导教师在检查评分时参考，也可作为与同学交流沟通的书面材料。本报告适合电类专业人士以及有一定理论基础的业余爱好者阅读。

1.2 名词定义

单片机：一块集成了一个简单的计算机系统的芯片。包括CPU、RAM、ROM、输入/输出设备的一块集成电路；

单片机小系统：以单片机位核心，通过晶振、存储芯片、输入输出扩展等使之能够完成逻辑功能的一块电路板系统；

开环：输出对输入不产生反馈作用的工作方式；

闭环：输出对输入施加反馈作用的工作方式，在此方式下，可以使系统输出更稳定； PWM信号：脉冲宽度调制信号。脉冲信号的占空比受到调制的一种信号； A/D转换：模数转换，既将一个模拟信号转换成一个数字信号；

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，用峰峰值Vp-p表示； 过流保护：设定系统电流上限，防止功耗过大，导致元件损坏。

电气隔离： 两部分支路无电气上的直接联系，使相互间的干扰降到最小； 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

表1 硬件开发环境

开发工具 直流稳压电源 数字万用表 示波器 电源引线4根 示波器探头1根 镊子、剪刀、斜口钳、螺丝刀、电烙铁 220V交流电 220V交流电 运行环境 第1页

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1.4 软件开发环境

表2 软件开发环境

软件名称 AVR Studio4 Microsoft Excel Progisp WindowsXP WindowsXP WindowsXP 运行环境 1.5 缩略语

DC-DC：Direct-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。

PWM：Pulse Width Modulation

脉冲宽度调制。指一定频率的占空比可变方波信号。

ADC： Analog to Digital Converter

模拟数字信号转换器。用于将模拟信号按照一定速度转换为数字信号。 LPF： low pass filter

低通滤波器。

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2. 系统总述

2.1 系统组成

图1 系统组成示意图

本次实验内容为降压型DC-DC开关电源，分别由DC-DC开关稳压电源、电压控制、电压测量与单片机四个子系统组成。四个子系统关系如图1所示，单片机通过扁平电缆输出PWM波，经电压控制子系统处理，通过光电耦合器件4n25控制开关电源的输出电压；电压测量子系统同样通过4n25与开关电源子系统连接，它对输出电压进行采样并处理后经扁平电缆反馈给单片机。 2.1.1 DC-DC开关电源子系统

本系统是DC-DC开关电源子系统。从图2可以知道整个系统由20V-30V的电源给其供电，能够通过调节滑动变阻器输出稳定的5V-10V电压。其大致原理是，系统通过接收电压控制子系统的不同占空比的PWM波形，控制开关三极管在一个周期中的通断时间，从而控制给后面连接的电容的充电时间，控制电容两端电压，把不稳定的电压转换为可控的稳定电压。该子系统以TL494为核心元件，三极管Tip42为开关，通过开关的通断产生带有可控纹波的稳定电压，通过调节可调电阻即可得到5~10V的输出。

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图2 DC-DC开关电源部分[2]

2.1.2 电压控制子系统：

电压控制子系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，然后通过LPF转换成直流信号，信号的强度与占空比成正比，再通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，实现将单片机输出的PWM波转化为可变电压，从而对输出电压进行控制。该子系统由整形、有源低通滤波、信号隔离变换与基准电源4个电路模块组成。

图3 电压控制部分[3]

2.1.3 电压测量子系统：

电压测量子系统为电压跟随器，以LM741为核心，将采到的电压信号经过分压，再通过电压跟随器输入到单片机ADC端口，与基准电压的ADC 比较得到差值，即为输出与期望的差值，作为闭环部分的反馈信号输入至单片机系统。

图4 电压测量子系统 [3]

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2.1.4 单片机子系统：

本系统是开关电源的指挥中心。它可以通过编程发出任意占空比的PWM波。它把电压检测子系统送过来的数字信号，经过处理获知当前的输出电压，并与用户的设置值相比较，如果有误差，就通过修改发出的PWM波的占空比将误差消除。电压控制子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，实现将单片机输出的PWM波转化为可变电压，从而对输出电压进行控制。

单片机小系统还提供了用户交互界面，包括数码管显示与按键控制。

2.2 系统的主要功能

2.2.1 DC－DC开关电源模块

TL494在工作时内部会产生一个固有的电压Vref ，输出的电压反馈与固有电压产生差值经过误差放大，改变输出的反馈电压和TL494内固有的参考电压就可改变PMW的占空比，使得输入电压在20V到30V之间变化时，输出电压为一稳定值，调节滑动变阻器，可以使得输出电压在5V到10V之间变化。

2.2.2 输出电压控制模块

单片机产生的PWM信号做傅里叶级数展开之后是一个个次数、频率、幅度不同的正弦波的叠加。通过低通滤波器转换为输出直流，从而达到控制开关电源输出电压的目的。 2.2.3 输出电压测量模块

DC－DC的输出作为AD模块的输入电压，AD采集过输入信号后，立即反馈到单片机，单片机对当前的电压值与预设值相比较控制PWM输出，从而实现闭环控制。 2.2.4 单片机PWM输出子系统

单片机PWM输出子系统主要的功能是通过程序控制输出PWM波，从而达到控制输出电压的目的。同时在电压测量环节中，单片机通过比较实测编码值与预设编码值从而改变输出的PWM波，控制输出电压稳定。

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