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正文內(nèi)容

工程實踐與科技創(chuàng)新-第91組(余迪)設(shè)計報告(編輯修改稿)

2024-12-06 09:03 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 形濾波,將具有相應(yīng)占空比的 PWM信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的可變電壓,然后通過光耦合對 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊 進(jìn)行控制,從而改變輸出電壓。該模塊 由整形、有源低通濾波、信號隔離變換 3 個電路模塊組成。 該模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 第 5 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 2 . 4 電壓控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖 [ 1 ] 單片機小系統(tǒng) 單片機 小系統(tǒng) 實現(xiàn)的功能主要是 3 個方面,分別是用戶操作界面、開環(huán)電壓控制、閉環(huán)采樣及電壓調(diào)整控制。 ATmega16 有 16KB 的程序存儲空間, 1KB 內(nèi)部 SRAM, 512B 內(nèi)置 EEPROM。外部共有 32 個 GPIO,一路 USART,一路主從 SPI,一路 I2C,兩個 8 位定時器,一個 16 位定時器,4 通道 PWM 輸出, 8 路 10 位 AD 輸入。 用戶通過晶體數(shù)碼管和按鍵實現(xiàn)外部控制,完成相應(yīng)功能。 用戶界面功能主要是提供人機交互的控制功能,數(shù)碼管顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài),按鍵控制電源的工作狀態(tài)、設(shè)置電壓。開環(huán)電壓控制中單片機的主要任務(wù)是計算設(shè)置電壓對應(yīng)的占空比,輸出相應(yīng)占空比的 PWM 波。閉環(huán)采樣及電壓調(diào)整控制中單片機完成了兩個任務(wù),即控制 A/D 芯片 采樣并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的采樣電壓和根據(jù)采樣電壓調(diào)整占空比實現(xiàn)閉環(huán)控制。 第 6 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 3. DCDC 開關(guān) 穩(wěn)壓 電源 模塊 的 設(shè)計 主要功能和指標(biāo) DCDC 開關(guān) 穩(wěn)壓 電源 模塊 的主要功能 是 將一輸入不穩(wěn)定的直流電壓( 2030V)變換為輸出穩(wěn)定的直流電壓( 510V 可調(diào))。 .在此 DCDC 開關(guān) 穩(wěn)壓電源模塊 工作時,可以通過調(diào)節(jié)電阻串聯(lián)的電壓采樣支路上滑動變阻器的大小來調(diào)節(jié)輸出的電壓。 其設(shè)計指標(biāo)如表 所示。 表 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計指標(biāo) [1] 輸入直流電壓 20V~30V 輸出直流電壓 5V~10V 額定輸出電流 1A 限流值 電壓調(diào)整率 % 電流調(diào)整率 1% 輸出電壓紋波 ?100mVpp 效率 ?65% 截止電流值 設(shè)計原理及 電路圖 本模塊 工作時,由 TL494 輸出一個周期 PWM 波控制開關(guān)三極管的開與關(guān)即導(dǎo)通與截止,當(dāng)開關(guān)三極管基極為低電平時,開關(guān)三極管導(dǎo)通,電源對儲能電感充電,當(dāng)開關(guān)三極管基極為高電平 時,開關(guān)三極管截止,儲能電感 放電,由于 TL494 輸出的是周期 PWM 波,故模塊 不斷地重復(fù)上述過程。當(dāng)輸出頻率足夠高時,電源輸出電壓近似為一穩(wěn)定值。 本模塊 PCB板電路圖如圖 所示。 圖 3 . 1 D C DC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊 P C B 板電路圖 第 7 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 TL494 簡介 管腳如下圖所示: 1) 1IN+:差分放大器 1( Error Amplifier 1)同向輸入端 2) 1IN-:差分放大器 1( Error Amplifier 1)反向輸入端 3) FEEDBACK:差分放大器輸出端的反饋信號 4) DTC:死區(qū)時間控制( DeadTime Control Comparator)輸入端口 5) CT: RC 振蕩器( Oscillator)電容接口 6) RT: RC 振蕩器( Oscillator)電阻接口 7) GND:接地 8) C1: 1 號輸出集電極 9) E1: 1 號輸出發(fā)射級 10) E2: 2 號輸出發(fā)射級 11) C2: 2 號輸出集電級 12) Vcc:正極輸入 13) OUTPUT CTRL:輸出控制端 14) REF:基準(zhǔn)電壓輸出 15) 2IN-:差分放大器 2( Error Amplifier 2)反向輸入端 16) 2IN+:差分放大器 2( Error Amplifier 2)同向輸入端 TL494 主要起到輸出 5V 基準(zhǔn)電壓、輸出 PWM 波并根據(jù)采樣得來的電壓與參考電壓得分壓比較后改變輸出 PWM 波的占空比以及限流的作用。 TL494 是美國德州儀器公司生產(chǎn) 的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器,可在顯示器、計算機等系統(tǒng)電路中作為開關(guān)電源電路。其主要特性如下: ( 1) 集成了脈寬調(diào)制電路。 ( 2) 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器,外置振蕩元件僅兩個(一個電阻和一個電容)。 第 8 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 ( 3) 內(nèi)置誤差放大器。 ( 4) 內(nèi)置 5V基準(zhǔn)電壓源。 ( 5) 可調(diào)整死區(qū)時間。 ( 6) 內(nèi)置功率晶體管可提供 500mA的驅(qū)動能力。 ( 7) 推或拉兩種輸出方式。 TL494 內(nèi)部功能框圖如圖 所示, 其工作原理 如圖 所示。 輸出電壓的采樣值通過 1IN+端輸入誤差放大器 1( Error Amplifier 1), 1IN-端的輸入為 5V的基準(zhǔn)電壓。誤差放大器 1 將電 壓采樣值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,當(dāng)采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓時,誤差放大器的輸出端對 VA 進(jìn)行充電,從而 VA 的電壓不斷升高;當(dāng)采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓時, VA 通過恒流源放電,從而 VA 的電壓不斷下降。而 VA的變化會改變 PWM 比較器( PWM Comparator)的判決門限,從而使得 PWM 比較器輸出占空比動態(tài)改變的 PWM 波控制開關(guān)三極管 Tip42 的開與關(guān),使得電感處于不斷的充、放電狀態(tài)之中(相應(yīng)的三極管處于截至與導(dǎo)通狀態(tài)),從而實現(xiàn)輸出的電壓僅產(chǎn)生幅度很小的紋波而使輸出電壓保持恒定。而輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過改變圖 R1 R12 、 R1 R14 組成的電壓采樣的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)中的電阻參數(shù)來實現(xiàn)的。 圖 3 . 2 TL 4 9 4 內(nèi)部功能框圖[2 ] 第 9 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 3 . 3 TL 4 9 4 工作原理解說圖[ 1 ] 外圍電路設(shè)計 1. 工作頻率 的確定 開關(guān)電源的工作頻率( PWM 波的頻率,即三極管開 關(guān)的頻率)是由 TL494 芯片 5 號管腳上的電容 C3 和 6 號管腳上的電阻 R7 決定的,他們的關(guān)系為: 增大工作頻率可以抑制紋波,但同時也會使效率變差。經(jīng)過老師的指導(dǎo)以及我們小組實際實驗結(jié)果,我們選取 C3 = 1000 pF, R7 = kΩ,此時 2. R R2 的選取 R R2 作為開關(guān)三極管的基極電阻,可以控制開關(guān)三極管的工作狀態(tài)。適當(dāng)?shù)?增加 RR2 的阻值 可以降低導(dǎo)通三極管的飽和深度,減小紋波幅度及尖刺, 但同時系統(tǒng)的效率也會相應(yīng)的下降。所以 R R2 的阻值需要在調(diào)試中根據(jù)實際情況確定其值,在滿足效率大于 65%的情況下盡量減少紋波毛刺的大小。在實驗中 我們曾因為電感量過大而燒過 R1,因此最終我們選擇了 390Ω的電阻作為 R1, 選擇一個 51Ω的電阻作為 R2。 3. 輸出電壓采樣電路的參數(shù)選擇 輸出電壓采樣電路如圖 所示。 輸出電壓 Vout經(jīng) R1 R1 R13和 R14組成的串聯(lián)分壓網(wǎng)絡(luò)后,從誤差放大器 1 同相輸入端輸入,與 Vref經(jīng) R R8 的分壓進(jìn)行比較。穩(wěn)定時要求放大器兩輸入端電勢差約等于 0,即有下面等式: 第 10 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 此外 , C2 和 R3 的串聯(lián)支路是為了防止誤差放大器產(chǎn)生自激振蕩, R4 決定誤差放大器的增益倍數(shù)。 最終我們選取 R5 = , R8 = R11 = R13 = kΩ, R12是一個 22 kΩ 的可變電阻,而 R14是 100Ω的可變電阻。 C2 = uF, R3 = 47 kΩ, R4 = 1 MΩ。 圖 3 . 4 輸出電壓采樣電路圖[ 1 ] 4. 限流保護(hù)電路的參數(shù)選取 限流保護(hù)電路如圖 所示。 圖 3 . 5 限流保護(hù)電路 若誤差放大器的反相輸入端的 電壓值大于或等于正相輸入端的電壓值時,系統(tǒng)將輸出過流保護(hù) 。設(shè)限流值為 I,則電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足: 其中 I = , R10 = ,計算可得 R6, R9 的電阻值 , 150Ω 。但在實驗中我們發(fā)現(xiàn), R10的值根本不是 ,而是接近 。因此,我們最終選取 R6 = , R9 = 120Ω 。 5. 電感及電容的選取 第 11 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 儲能電感 L 的電感量將直接決定輸出電壓紋波的幅度、波形 ,因此對儲能電感的繞制工藝要求很高。我們小組首次繞制儲能電感時,因為過分追求降低紋波幅值,繞制了很大電感量的儲能電感(約 5mH 左右),結(jié)果導(dǎo)致開關(guān)三極管電流過大,燒毀了開關(guān)三極管、 R1 和 TL494。最終,我們繞制的儲能電感表測值為 1mH。 6. 參數(shù)一覽表 我們小組 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的參數(shù)選擇總結(jié)如表 所示。 表 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊參數(shù)一覽表 元件 參數(shù) 元件 參數(shù) 元件 參數(shù) 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 三極管 Tip42 R2 51Ω R10 二極管 1N5822 R3 47kΩ R11 第 12 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 紋波與效率 抑制紋波可以采取的措施盡管 節(jié)有所提到,但是這里還是系統(tǒng)的總結(jié)一下: 1. 增大儲能電感的電感量。 2. 提高開關(guān)的頻率。 3. 降低開關(guān)三極管導(dǎo)通深度。 4. 增大濾波電容 C5。 但是,如果一味地追求更小的紋波,就會導(dǎo)致很差的效率。原因如下: 1. 開關(guān)頻率 增大開關(guān)頻率后,會導(dǎo)致單位時間內(nèi)開關(guān)三極管以及該模塊內(nèi)其他耗能元件(如電阻等)消耗的電能增加。在同樣的輸入功率情況下,模塊內(nèi)部消耗的功率越大意味著輸出的功率越小,這樣效率就越差。 2. 開關(guān)三極管導(dǎo)通深度 降低開關(guān)三極管的導(dǎo)通深度,會直接導(dǎo)致開關(guān)三極管的開關(guān)過渡狀態(tài)時間增加,于是三極管消耗功率會急劇增大,結(jié)果是效率明顯降低。 從上面的討論我們可以看出,對于開關(guān)頻率與開關(guān)三極管的導(dǎo)通深度的調(diào)整,對輸出紋波與效率的影響是相反的,這就需要在輸出紋波的大小與效率的大小之間做一個折中處理。所以在實際的調(diào)試中,不可一味地追求紋波小或者效率高,找到一個兩邊都能夠滿足要求的方案才是正確的解決方法。 第 13 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 4. 電壓 檢測 模塊 的硬件設(shè)計 原理簡述 電壓測量子系統(tǒng)主要依靠單片機 ATmega16 內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊,將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,使單片機以此作為反饋量對開關(guān)電源進(jìn)行閉環(huán)控制。 DCDC 開關(guān)電源子系統(tǒng)的輸出電壓經(jīng)過 4N25 后進(jìn)行信號變換,得到合適的電壓值 Va, ATmega16 對 Va和參考電壓 Vre f的差值進(jìn)行量化、編碼,單片機根據(jù)程序?qū)敵稣伎毡冗M(jìn)行微調(diào),實現(xiàn)對于電壓的更精確的控制 . 主要功能和指標(biāo) 電壓檢測模塊的主要功能是將輸出電壓進(jìn)行變換以及產(chǎn)生一個穩(wěn)定的參考電壓,并將兩者送入單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換接口。其技術(shù)指標(biāo)如下: 輸入電壓范圍: ~。 信號變換 精度:誤差≤ 。 設(shè)計原理及電路圖 根據(jù)單片機的 Datasheet , A/D 芯片有兩種方案進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換,一種是單端輸入,另一種是差分輸入。為了改善編碼空間的使用效率,用足 10 位 ADC 編碼空間,我們選擇差分輸入的方式。電壓檢測模塊電路如圖 所示。 圖 4 . 1 電壓檢測模塊電路圖 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的輸出電壓( 510V 直流)作為電壓檢測模塊的輸入,經(jīng)過分壓后作為一個輸出,另一個輸出信號是由 TL431 產(chǎn)生的一個穩(wěn)定的參考電壓。前者送入單片機 ADC0(V+)管腳,而后者送入單片機 ADC1(V)管腳。 TL431 簡介 第 14 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 TL431 是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref( )到 36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為 ,在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管,例如,數(shù)字電壓表,運放電路、可調(diào)壓電源,開關(guān)電源等等。 圖 所示的是 TL431 的管腳圖、功能結(jié)構(gòu)圖以及實際結(jié)構(gòu)圖。 TL431 的 三個引腳分別為參考( Reference),陽極( Anode) ,陰極( Cathode)。 Vref是一個內(nèi)部的 ,接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知,只有當(dāng) REF 端(同相端)
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