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1、代码：LG-3-本-D2010年TI杯四川省大学生电子设计竞赛设计报告书设计题目：高效数控恒流电源（D题）参赛队代码：LG-3-本-D竞赛时间： 2010-7高效数控恒流电源（D题）摘要本数控恒流源系统主要由恒流源控制电路、DC/DC变换电路和单片机控制部分三个功能模块组成。恒流源控制电路由硬件闭环稳流电路实现输出电流的稳定控制。DC/DC转换模块采用单端正激式DC/DC变换电路，可实现降压和升压的功能，扩大输入电压范围至8-20V。单片机控制模块以MSP430单片机为控制核心，结合键盘、DAC和LCD实现系统的控制和显示功能。一、总体方案设计1、方案论证与比较（1）恒流源电路方案方案1：采用
2、软件闭环控制方式。键盘预置电流值，经MCU处理后送入DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值，再经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。方案2：采用硬件闭环控制。硬件的闭环稳流的典型电路如图1所示，根据集成运放的虚短概念，可得到：ILVi/R1式中IL为负载电流，R1为取样电阻，Vi为运算放大器同相端输入信号。若固定R1，则IL完全由Vi决定，此时无论Vcc或是RL发生变化，利用反馈环的自动调节作用，都能使IL保持稳定。 方案1最大的问题是：若输入电源电压或负载发生变化，都需要经过
3、一段时间调 整后才能使电流稳定。而方案2硬件电路不 仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出，故本系统采取方案2。图1 硬件闭环稳流电路（2）DC/DC电压转换电路方案最基本的斩波电路如图2所示，斩波器负载为R。当开关S合上时，Uout=Ur=Uin，并持续t1时间。当开关切断时UoutUr0，并持续t2时间，Tt1t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。定义斩波器的占空比Dt1T，t1为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从
4、零变到Uin，也就是说输出电压可随D而改变。 ( (a) (b) 图2 降压斩波电路原理在高频稳压开关电源的设计中，普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且其滤波器设计也比较困难。DC/DC变换器有：降压式（Buck），升压式（Boost），单端正激式，单端反激式，双管正激式，双管反激式，半桥式，全桥式，推挽式等多种典型变换电路。虽然DC/DC转换电路很多种，但都具有各自不同的特点：Buck和Boost电路虽然效率较高但不能同时实现降压和升压的双重功能。基于题目要求，电源部分需同时具有升压和降压的功能，故这两种电路此处不可取。兼有升、降压功能的Buck-Boost电路要
5、满足820V的要求颇为不易。双管正激式、双管反激式、半桥式、以及全桥式DC/DC变换电路适合于大功率等级（200W以上）的电路，不太适合小功率电源电路。由本题设计要求：恒流源输出最大电压10V且输出电流范围为202000mA，即输出功率最大值为20W，属于小功率电源。因而以上电路不适合本设计。推挽式隔离变换电路，使用两个管子进行推挽，变压器采用中心抽头连接，二次侧也是两相半波整流，因此相当于两个正激式变换电路在工作，这类变换电路较复杂，综合考虑本设计不使用该电路。单端反激式单管变换器的电路，其输出的纹波电压比较大，若要减小纹波，需要加入复杂的滤波电路。本设计不采用该电路。单端正激式变换电路因为
6、其使用无气隙的磁芯，铜损低，感量较高，变压器的峰值电流较小，输出电压纹波低。适用于低电压大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。综上所述，由于正激式开关电源电路结构简单、功率密度较高。所以本设计电源部分采取此电路。2、系统设计框图系统总体框图如图3所示，输入电压经DC/DC转换电路后输出为恒流源电路、单片机控制系统以及恒压源电路提供电源。恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能，用户通过键盘设定输出电流值，经MCU处理经 DAC转换为控制电压，传入恒流源电路，从而控制输出电流的大小。同时在LCD上显示系统的相关信息。此外系统中也扩展了恒压源电路。恒流源负载恒压源
7、MSP430F149单片机ADCDC/DC变换Uin键盘LCD显示DAC图3 系统总体设计框图二、功能描述1、题目要求功能：（1）能数字设置并控制输出电流，最大输出电压11V，输出电流范围2002000mA；（2）输入电压范围：8V20V；效率80%。（3）具有过压保护功能并声光报警：动作电压Uoth=11+0.5V；（4）具有输出电流的测量和数字显示功能。2、本系统设计扩展功能：（1）输出电流范围：202000mA；步进可达到1mA；（2）具有软件启动功能；（3）输入电压范围扩展到8V20V；（4）具有掉电保持功能：电流源可存储掉电前工作电流值。下次上电时可按照掉电时最后的电流值工作。（5）
8、另外电路扩展稳压源模块，可实现稳压输出15V。（6）声光报警三、分析计算和电路实现1、DC/DC转换电路部分（1）单端正激式电源变压器选择和计算单端正激式开关电源变压器是单向激磁，要求磁芯脉冲磁感应增量大，但是变压器初级工作次级也同时工作，因此计算方法和步骤与双极性开关电源接近：初级绕组匝数N1计算式为：N1=Vp1tk102/B1A其中：VP1是变压器最低输入额定电压幅值，此电源标称为8V；tk是开关管导通时间，此电源设定为4us；B1为脉冲磁感应增量，此电源设定为0.2T，A为磁芯截面积，所选磁材为PC40EPC10-Z，其截面积为9.39102cm2。根据上述所选值求得N1=13。次级匝
9、数要保证此时的电压12V，即N2=19。（2）SG3525控制电路分析与计算单端正激式开关电源，电路原理图如图4所示，硬件电路结构简单。由SG3525控制芯片产生PWM波，驱动开关管IRFZ44N，输出电压经采样后，送至SG3525的1脚，即误差放大器的反向输入端，若输出电压偏高，采样反馈的电压也偏高，与SG3525中误差放大器的基准电压比较后电压偏低，导致占空比下降，从而使输出电压下降。反之亦然，如此形成闭环控制。R10是可调电阻，通过调节R10就可调节输出电压。图4 DC/DC电源原理图根据在稳态条件下电感L2两端电压在一个开关周期内平均值为零的基本原理，在电感电流连续的条件下，可以推导出
10、输入、输出电压与开关通断时间的占空比（占空比为d）的关系为：Uo/Ui=d/(1-d),故通过改变开关管的占空比d 可以控制输出平均电压的大小，当0d1/2时为降压，当1/2dAmp) do Amp=Amp+20; func(Amp1,0x8000);图8 过压保护程序流程图 displayshu(11,3,Amp); delays(500000); ADC12CTL0 |= ENC; ADC12CTL0 |= ADC12SC; while(!fll); fll=0; temp=transforma(aa,0); temper=transforma(aa,1); displayVrl(temp
11、,22,3); displayIsp(temper,11,4); ADC12CTL0 &=ENC; while(judgeVrl(temp,10.2)&(!(Amp=Amp1); /*/*负载电压超过11V开始报警并步进减小输出电流*/*直到负载电压小于10.6V*/ if(!judgeVrl(temp,11) displayIp(); displayjg(); /警告过压 P1OUT |= BIT0; /声光报警 delays(1000); do Amp=Amp-20; displayshu(11,3,Amp); func(Amp1,0x8000)/将电流值送到DAC delays(5000
12、00); ADC12CTL0 |= ENC; ADC12CTL0 |= ADC12SC; while(!fll); fll=0; temp=transforma(aa,0); temper=transforma(aa,1); displayVrl(temp,22,3); displayIsp(temper,11,4); ADC12CTL0 &=ENC; while(!judgeVrl(temp,10.6); /负载电压小于10.6V时退出 P1OUT &=BIT0; /关声光报警/*/2、恒压源部分单片机主要完成取电压预置数，数据处理后送DAC转换为控制电压控制电压源输出电压，检测实际输出电压
13、值并显示。3、软启动部分软件自动在FLASH中取出上次关闭电源时的电流值，并自动控制输出电流步进增至该电流值。系统恢复上次关闭电源时的工作状态。五、系统测试及分析1、测试方法采用分别测试各个单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。2、测试电路（1）测量效率的电路示意图如下图9所示，在串接电流表检测显示输出电流为2000mA时测试效率，由于电流表本身具有内阻（0.2），所以此电阻也是负载电阻的一部分，故测试输出电压应把电流表加到负载上一起测量。图9 测量效率的电路示意图3、测试数据和误差分析（1）输出电流范围测试项目测试条件测试记录备注输出电流Io范围Ui=8V设置输出电流Io（mA）实际输出
14、电流Io（mA）负载电阻为520215050.2100100.4200200.3500499.71000999.915001501.220002000.5Ui=15V2020.1505018100100.5200200.5500499.710001001.215001501.620002001.7Ui=18V2020.05050.2100100.5200200.650050010001000.21500151.420002001.9Ui=20V 2020.15050.2100100.4200200.5500499.910001000.815001501.220002001.5显示实际输出电流有
15、 无 有误差分析：电流实际输出值和设置值之间存在微小误差，一方面是由于闭环控制不够准确，可能是因为稳流闭环增益还不够。另一方面，由于DAC转换芯片本身具有一定的非线性误差，造成输出电流具有微弱的偏差。当电流不是很小时，由于12位DAC及测量仪表的分辨率大于设计要求的精度，所以实际输出电流值与设定电流值基本相等。且步进可达到1mA。（2）电流调整率SI：测试项目测试条件测试记录SI电流调整率SIIo1000mA，负载为5UiIO0.081%8V999.8mA12V1002.7mA18V1000.9mA20V1000.5mA（3）负载调整率SR：测试项目测试条件测试记录负载调整率SRUi=15V，
16、IO=1000mA负载Io1 （mA）SR1100003100051000（4）输出噪声纹波电流：测试项目测试条件输出噪声纹波电流输出噪声纹波电流Ui=15V，Uo=10V，Io=2000mA0.65mA（5）整机效率：测试项目测试条件IiUo整机效率Ui=15V， Io=2000mA1.90A11.53V80.91%备注：测试的输出电压Uo是电流表和负载加在一起的电压值。（6）其他功能测试经测试，软件启动、掉电保护、过压保护及恢复功能均能够实现，扩展电压源模块可供电压15V，精度0.1V。六、结论由上述电路设计分析计算和测试数据可知：本系统基本实现了题目中基础部分和发挥部分的功能要求，并达到各项参数指标，且在此基础上添加软启动，电压源和扩大输入电压范围等其它扩展功能并能够较好的实现。本系统设计基本达到预期目标。
