程控直流稳压电源要点

2012 年吉林省电子设计竞赛设计与总结报告程控直流稳压电源（ A 题）摘要直流稳压电源是电子技术领域不可缺少的设备， 目前直流稳压电源已朝着多功能和数字化的方向发展。本系统以MSP430I片机为核心结合数字反馈控制技术实现程序控制的直流稳压电源。 硬件主要包括： 单片机系统、 传统供电直流电源、升降压斩波电路、及由6N137光耦合组成的反馈电路等。软件系统使用模块 化形式编程，易维护。电路具有电压调整简便，读数直观，电压输出稳定，便于智能化管理的特点，有效地克服了传统电源的不足。测试符合各项指标要求。关键字：MSP43阴片机、540场效应管、数控、升降压斩波电路目录摘 要 21 .方案比较与论证 41.1 方案一 41.2 方案二 41.3 方案论证 52 主要硬件选择 52.1 单片机的选择 52.2 显示屏的选择 62.3 高频开关的选择 62.4 键盘的选择 63 系统设计 73.1 总体要求 73.2 总体设计 73.2.1 单片机的信号与控制的分析 83.2.2 PWM 占空比和频率的计算 83.3 电路的设计 93.3.1 单片机最小系统 93.3.2 显示电路设计 93.3.3 直流电源的设计电路 93.3.4 数控反馈回路的设计 103.3.5 升降压斩波电路图 113.3.6 输出电流检测电路图 114 系统调试 124.1 测试方案 124.2 测试仪器 124.3 测试结果 124.4 结果分析 141 .方案比较与论证1.1 方案一以sepic斩波电路作为开关控制电路，如图1.2-1所示。该电路的基本工作原理是：当V处于通态时，E-L1-V回路和C1-V-L 2回路同时导电，L1和L2储 能。V处于断态时，E- L 1- C1-VD-负载（C2和R）回品&及L2-VD-负载回路同时导电，此阶段E和L1及向负载供电，同时也向 。充电，。储存的能量在V处于 通态时向L2转移图 1.2-11.2 方案二以升降压斩波电路作为开关控制电路， 如图1.2-2a所示。该电路的基本 工作原理是：当可控开关 V处于通态时，电源经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为1 1,方向如图所示，同时电容C维持输出电压基本恒定并向负载供电。此后，使V关断，电感中储存的能量向负载释放，电流为11.3 方案论证升降压斩波电路为最基本的电路，从原理上并不优于方案一种的sepic电路，sepic电路中，电源电流和负载电流均为连续，有利于输入和输出滤波，而 且输出电压为正极性的。但是为了我们从另一个角度考虑， 解决问题，选择了最 基本的电路作为开关控制电路，提高解决问题的能力，同时也为问题的解决找出 新的思路。图 1.2-2a升降压斩波电路的波形2主要硬件选择2.1 单片机的选择题完成该题目要求的任务，有多种单片机可供我选择作为系统的控制单元， 由于我们知识有限，所以锁定 MCS5保歹I单片机和MSP43朦列单片机作为选择 范围。MCS5保列单片机是国内使用最多的产品，对其使用的技术很成熟。我们优 先考虑使用该系列的单片机作为系统控制单元， 我们所熟知的该系列的单片机没 有LCMg区动模块，为了达到题目要求的显示相关数据的目的，我们需要外接 LCM 驱动电路。MSP43原列单片机是一款16位超低功耗的产品，具有丰富的外部接口，该系列单片机有许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，包括A/D转换，LCM驱动电路等，消除了使用 MCS5俾片机需要外接某些电路的麻烦， 可以使整个系统更加简洁。经过综上比较，我们选择了 MSP430F16卵片机作为我们的控制单元。2.2 显示屏的选择我们手中实验用的液晶显示屏有LCD和LCM为了满足显示内容的要求以及外观需要，我们选择LCM乍为整个系统的显示模块。2.3 高频开关的选择选择一：IGBT (绝缘栅双极晶体管)作为新型电力半导体场控自关断器件， 集功率MOSFET高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电 压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，驱动功率小而饱和压降低， 非常适合用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、 变频器、 照明电路等。选择二：场效应管它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高(108109Q)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工 作区域宽等优点，综上 IGBT 与场效应管的优缺点，结合设计题目的实际情况，我们选择540场效应管作为整个系统的高频开关。2.4 键盘的选择选择一：普通独立式键盘，焊接方便，编程简单。选择二： 4*4 矩阵式键盘，焊接不便，编程困难，占用版面较大。在满足题目要求的前提下以最简、最易为原则选择普通独立式键盘。3系统设计3.1总体要求设计并制作直流稳压电源，输入电压范围为DC 10V-30V,输出电压为DC18 V。基本要求：(1)输入电压变化范围10V30V,输出电压保持为18V;(2)最大输出电流IOmax 1A；(3)输入电压UIN从10V30V变化时，电压调整率 SIK 2% (IO=1A);(4)电流IO从01A变化时，负载调整率 SI<5% (UIN=10M;(5)输出噪声纹波电压峰 -峰值 UOP区0.5V (UIN=10V30V,UO=18V, IO =1A);(6)DC-DC变换器的效率">70% (UO =18V, IO =1A);3.2总体设计以5V,和15V直流电源作为整个系统的供电电源。接入外部直流电源(10V30V)输入到升降压斩波电路，对输出电压采样，并改变极性输入给MSP43叶片机，通过片内ADC(A/D、模数转换)模块把模拟量转化为数字量， 经单片机分析处理发出PWMJ数字信号反馈调节，控制IGBT的通断，从而构成 稳定的直流电压源，并且将有关数据反映在液晶屏上。，系统总体设计框图如图3-1所示A图3-13.2.1 单片机的信号与控制的分析控制高频开关，采用PWM、法，开关并非连续关闭或导通，而是在一个特定 的频率下以方波的形式驱动540场效应管。不同的占空比能对开关的通断起到调 速的作用。通过执行软件延时程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产 生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。3.2.2 PWM占空比和频率的计算用定时器中断产生PWM1号（如图3.2.2-1所示）。用T0产生PWM周期， 用T1控制PWMW占空比，T0中断时让一个IO 口输出高电平，且启动定时器T1, T1让IO 口输出低电平，这样改变定时器IO的处置可以改变频率，改变定时器 T1的初值就可以改变占空比，用定时器实现了PWM&能。1 =工-"今也=&也（5占空比，0<ar<l）公式：PWMOT：对于12M晶振，PWM俞出频率为1KHZ这样定时中断次数设定 为C=10Q即0.01ms中断一次，WJ TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为 0.01ms, 这样可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1msfr图 3.2.2-13.3电路的设计3.3.1 单片机最小系统采用MSP430F16卵片机作为系统控制单元，外配 4MHzi晶振和32768Hz的 辅助晶振、复位电路、按键电路、LM12864显示器构成单片机小系统，MSP430F169 单片机小系统电路如图3-3-1所示。3.3.2 显示电路设计LCM12864t晶显示模块与单片机连接电路如图 2-3所示3.3.3 直流电源的设计电路5直流稳压电源电路如图3-3-3所示图 3-3-1图 3-3-23.3.4数控反馈回路的设计数控反馈电路如图3-3-4所示图 3-3-43.3.5 升降压斩波电路图升降压斩波电路如图3-3-5所示图 3-3-53.3.6 输出电流检测电路图 输出检测电路如图3-3-6所示图 3-3-64系统调试4.1 测试方案根据题目的每一项要求，测试系统。4.2 测试仪器万用表，示波器，电流表。4.3 测试结果1、基本要求1）当输入电压Un在030V之间变化时，测出输出电压 UO的值的大小（要求输 出电压UO=18V）:UInUO2）输出电流最大值可达到Iomax=1A3）当输入电压Un在030V之间变化时（Io=1A）,测出输出电压和电压调整率的大小（要求电压调整率至少为 Su02%:I o=1AUnuoSu4）当输出电流Io在01A之间变化时（Un=10V）,测出输出电压和负载调整率 的大小（要求负载调整率至少为 SI 0 5% :Un=10VI ouoSi2、发挥部分1）当输入电压Un在030V之间变化时（Io=1A）,测出输出电压和电压调整率 的大小（要求电压调整率 Su< 0.5%）:I o=1AUnuoSu2）当输出电流I战01A之间变化时（Un=10V）,测出输出电压和负载调整率的 大小（要求负载调整率SIW1%:Un=10VI OUOSi4.4 结果分析参 考 文 献1 时景荣、李玉茹.C 语言程序设计（第二版） M. 北京：中国铁道出版社 .2010.433.2 童诗白、华成英. 模拟电子技术基础（第五版） M. 北京 : 高等教育出版社 ,2009.4233泰龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲M.北京.电子工业出版社.20074 阎石 . 数字电子技术基础（第四版） M. 北京 : 高等教育出版社 ,2010.5王兆安、黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2009.100110.