【正文】 ............................................................34 系統(tǒng)顯示說明 ...................................................................................................36 10. 附錄 B 測試和分析 ...............................................................................................37 測試項(xiàng)目和方法 [1]............................................................................................37 測試的資源 .......................................................................................................38 測試結(jié)果及分析 ...............................................................................................38 11. 附錄 C 課程學(xué)習(xí)心得和意見建議 ......................................................................40 12. 附錄 D 作品實(shí)物照片 ............................................................................................41 13. 附錄 E 軟件程序清單 ...........................................................................................42 第 1 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 1. 概述 編寫說明 本報(bào)告為上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 20202020 學(xué)年上 半 學(xué)期開設(shè)的科技創(chuàng)新 [3A]課程“ DCDC 開關(guān)電源模塊及其控制系統(tǒng)”項(xiàng)目的設(shè)計(jì)報(bào)告。 TL494。 完成時(shí)間： 2020年 12 月 6 日 科技創(chuàng)新 [3A]設(shè)計(jì)報(bào)告 項(xiàng)目名稱： DCDC 開關(guān)電源模塊及其控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)小組編號：第 91 組 設(shè)計(jì)小組名單：余迪 (組長 )、羅菲菲 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 地 址：東川路 800 號 郵 編： 202040 姓名 班級 學(xué)號 具體負(fù)責(zé)的工作 聯(lián)系方式 余迪 F0903013 5090309377 全部電路設(shè)計(jì)，編寫并調(diào)試程序，電路的調(diào)試 ,報(bào)告撰寫 18621689779 羅菲菲 F0903027 5090309656 全部電路設(shè)計(jì)，編寫并調(diào)試程序，電路的調(diào)試 ,報(bào)告撰寫 15216715706 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 地 址：東川路 800 號 郵 編： 202040 摘 要 ： 本報(bào)告 主要 介紹 利用 TL494 芯片實(shí)現(xiàn) DCDC 開關(guān)電源以及利用 AVR ATmega16 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)方案，包括硬件的基本原理、功能、技術(shù)指標(biāo)，軟件的實(shí)現(xiàn)、調(diào)試分析，并附有圖片、心得體會等。 關(guān)鍵詞： DCDC 開關(guān)電源 ； TL494； AVR ATmega16 單片機(jī) ； 閉環(huán)控制 ABSTRACT This report mainly introduces design scheme of the implementation of switch mode DCDC power supply by using chip TL494 and the implementation of closedloop control circuit by using MCU AVR ATmega 16. This report includes the basic principle, function and technical targets of hardware and implementation and debugging of software, with photos and experiences we get attached. KEYWORDS Switch mode DCDC power supply。 MCU AVR ATmega16。包括 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能、調(diào)試過程與測試指標(biāo)，以及 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路以及調(diào)試技巧，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與心得體會 等。 單片機(jī)小系統(tǒng)：由單片機(jī)和相應(yīng)的外圍電路組成的一個(gè)小系統(tǒng)，可以通過輸入端口從 PC 機(jī)上下載軟件程序控制系統(tǒng)的工作，并且控制輸出端口的輸出變化。 閉環(huán) 控制系統(tǒng)：基于負(fù)反饋基礎(chǔ)上的，通過誤差檢測糾正誤差的系統(tǒng)。 電氣隔離：外界輸入電路和元件本身電路隔離，電路元件參數(shù)互不影響，但外界輸入電路提供的電壓能控制元件自身電流輸出。 占空比：方波信號一周期內(nèi)高電平時(shí)間與周期的比值。 電壓調(diào)整率：輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓變化幅度與輸入電壓變化幅度的比值。 過流保護(hù)：設(shè)定系統(tǒng)電流上限，防止功耗過大，導(dǎo)致元件損壞?，F(xiàn)實(shí)生活中我們所遇到的供電都是國家標(biāo)準(zhǔn)的配置（中國是 220 伏特），為了滿足各種電子器件的需要，我們需要設(shè)計(jì)一些能夠?qū)崿F(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的器件，即電源。 本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)通過單片機(jī)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換控制，輸入為 20～ 30V，輸出為5～ 10V，具有 177。 系統(tǒng)組成 DC DC 開關(guān)穩(wěn)壓 電源 模塊 電壓控制 模塊 整形 L P F 變換 耦合 A D 電壓 檢 測 模塊 變換 耦合 20 3 0 V DC 輸入 5 10V 可調(diào) / 1 A DC 輸出 單片機(jī) 小系統(tǒng) 圖 系統(tǒng)組成框圖[ 1 ] 系統(tǒng)組成的框圖如圖 所示。 2030V 的 DC 輸入和 510V 可調(diào)的 DC 輸出均在 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，輸出電壓經(jīng)過電壓檢測模塊的變換送入單片機(jī)的 A/D 芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過后的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，從而改變單片機(jī)輸出 PWM 波的占空比，單片機(jī)輸出的 PWM 波由電壓控制模塊整形、濾波、變換后反饋給 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊，調(diào)整最后的輸出結(jié)果。 （ 2）鍵盤與顯示：通過單片機(jī)小系統(tǒng)上的按鍵來控制系統(tǒng)的輸出電壓和工作方式（開環(huán) /閉環(huán)）；通過單片機(jī)小系統(tǒng)上的數(shù)碼管來顯示輸出電壓和當(dāng)前工作模式。開環(huán)控制的精度為電壓輸出誤差小于 。閉環(huán)控制的精度為電壓輸出誤差小于 ，調(diào)整時(shí)間小于 3 秒。該模塊以 TL494 作為核心元件，三極管 Tip42 作為開關(guān)元件， 通過開關(guān)元件的通斷產(chǎn)生可調(diào)得 PWM 信號，然后通過整流輸出穩(wěn)定的直流電壓 。 電壓檢測模塊 電壓 檢測模塊 可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的 變換功能 ，并將 變換后的 值 送 到單片機(jī) 中的 AD 芯片里 。 圖 2 . 3 電壓檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖 [ 1 ] 電壓控制模塊 電壓控制 模塊 可以實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)輸出的 PWM 信號進(jìn)行整形濾波，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。 該模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 ATmega16 有 16KB 的程序存儲空間， 1KB 內(nèi)部 SRAM， 512B 內(nèi)置 EEPROM。 用戶通過晶體數(shù)碼管和按鍵實(shí)現(xiàn)外部控制，完成相應(yīng)功能。開環(huán)電壓控制中單片機(jī)的主要任務(wù)是計(jì)算設(shè)置電壓對應(yīng)的占空比，輸出相應(yīng)占空比的 PWM 波。 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(jì) 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)）。 其設(shè)計(jì)指標(biāo)如表 所示。當(dāng)輸出頻率足夠高時(shí)，電源輸出電壓近似為一穩(wěn)定值。 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(shí)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。其主要特性如下： （ 1） 集成了脈寬調(diào)制電路。 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。 （ 5） 可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。 （ 7） 推或拉兩種輸出方式。 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。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(shí)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。 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(jì) 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(shí)也會使效率變差。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(shí)系統(tǒng)的效率也會相應(yīng)的下降。在實(shí)驗(yàn)中 我們曾因?yàn)殡姼辛窟^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(gè) 51Ω的電阻作為 R2。 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。 最終我們選取 R5 = ， R8 = R11 = R13 = kΩ， R12是一個(gè) 22 kΩ 的可變電阻，而 R14是 100Ω的可變電阻。 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。設(shè)限流值為 I，則電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足： 其中 I = ， R10 = ，計(jì)算可得 R6， R9 的電阻值 ， 150Ω 。因此，我們最終選取 R6 = ， R9 = 120Ω 。我們小組首次繞制儲能電感時(shí)，因?yàn)檫^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。 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。 2. 提高開關(guān)的頻率。 4. 增大濾波電容 C5。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(shí)