【正文】 個周期內(nèi) ,高電平信號所占的時間比例。 曲線擬合：根據(jù)采集的樣值點來選擇曲線，使數(shù)據(jù)點平方誤差和最小。 開環(huán)：輸出對輸入不產(chǎn)生反饋作用的工作方式。 縮略語 DCDC （ DirectCurrentDirectCurrent）即直流－直流轉(zhuǎn)換器。 PWM（ Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制信號， 指一定頻率的占空比可變方波信號。 ADC （ Analog to Digital Converter）即模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。 第 2頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 2. 系統(tǒng) 總 述 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)由 DCDC 開關(guān)電源，電壓檢測，單片機，電壓控制四個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖 1所示： DC DC 開關(guān)電源子系統(tǒng) 電壓控制 子系統(tǒng) 整形 L PF 變換 耦合 A D 電壓 檢 測 子系統(tǒng) 變換 耦合 20 30V DC 輸入 5 1 0 V 可調(diào) / 1 A DC 輸出 單片機 子 系統(tǒng) 圖 21 系統(tǒng)組成示意圖 [1] 第 3頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 控制 子系統(tǒng) 本系統(tǒng)中， 控制系統(tǒng)又 分為電壓控制子系統(tǒng)和電壓檢測控制子系統(tǒng)。后者是通過對輸出的電壓進行采樣，進行閉環(huán)控制來反饋調(diào)節(jié)，從而達到使電壓穩(wěn)定的目的。 這是本系統(tǒng)的電源核心，開關(guān)電源的基本功能實現(xiàn)由該子系統(tǒng)實現(xiàn)。該子系統(tǒng)可以獨立存在形成一個簡單的 DCDC 電源，其余控制系統(tǒng)通過設(shè)置其中的參考電壓實現(xiàn)輸出電壓的改變。 系統(tǒng)的主要功能 本系統(tǒng)是一個程序控制的 DCDC 開關(guān)電源。輸出電壓由單片機控制，單片機子系統(tǒng)發(fā)出數(shù)字電壓控制 PWM 信號，經(jīng)電壓控制子系統(tǒng)，輸入到 DCDC 開關(guān)電源子系統(tǒng)。 系統(tǒng)功能 本系統(tǒng)的主要功能是完成 DCDC 的轉(zhuǎn)換功能，即在單片機的控制下，將 20V~30V 的直流電壓轉(zhuǎn)換成 5V~10V 之間的穩(wěn)定的直流電壓輸出。在開環(huán)控制模式下，對于由于外界而引起的輸出電壓誤差，可操作單片機進行校準。 第 4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)電源子 系統(tǒng) 的硬件 設(shè)計 主要功能 和 設(shè)計指標 主要功能 將輸入的不穩(wěn)定的直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓輸出。 接口方式定義 輸入電壓： 20V~30V DC 負載接口： 5~10V DC 電壓控制子模塊通過光耦管分流，并聯(lián)于 R12 上。 設(shè)計指標 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% 開關(guān)電源子系統(tǒng)工作原理 [1] 開關(guān)電源系統(tǒng)原理圖如圖 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 開關(guān)電源系統(tǒng)原理圖 [1] 圖中 TL494 芯片、開關(guān)三極管（ TIP42），基極電阻夠成一個可控關(guān)閉與斷開時間的開關(guān)電路。開關(guān)電路核心為 TIP42 大功率三級管，控制后極電路的充放電。而 TL494 的功能即為控制電子開關(guān)的通斷。 其中電感與電容起儲能以及平滑輸出 電壓的作用。開關(guān)電路的工作原理如下。輸出電壓增大。此時輸出電壓降低。顯然，若充電時間占比例便大，則輸出電壓增高；反之電壓降低。 TL494[3] TL494 是一款開關(guān)電源常用的控制芯片。內(nèi)部有兩個誤差放大器，有一對互補的開關(guān)電源控制輸出口。由內(nèi)部振蕩器、誤差放大器、電壓比較器，輸出驅(qū)動等部分構(gòu)成。 內(nèi)置振蕩器產(chǎn)生一個鋸齒波的信號，其電壓范圍約為 0~5V，用于和誤差信號比較。差值介于 0 到 5V 之間，（負壓被二極管截斷）。由于鋸齒波線性地由 0V變化到 5V，因此比較后得到的信號就是需要的 PWM電源控制信號。后極的兩個三級管驅(qū)動只使用了一個。 輸出電壓的設(shè)定 圖 32 電壓設(shè)定電路圖 [1] 第 9頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 TL494 的第一個誤差放大器用來控制輸出電壓值。實驗中取 R5=R8=10KEY?，于是參考電壓為 。根據(jù)這樣的關(guān)系可以設(shè)定電路的參數(shù)。 第二個誤差放大器用于過流保護，限制輸出電壓的最大電流。當(dāng)電流過大時，反饋電壓很大，誤差放大器二將電路鎖死，使電壓不再增加。 子系統(tǒng)主要電路結(jié)構(gòu)和參數(shù) 電路結(jié)構(gòu) 電路結(jié)構(gòu)如 錯誤 !未找到引用源。 圖 331 DCDC 子系統(tǒng)電路原理圖 [1][3] 參數(shù)的設(shè)定 本節(jié)中的電 阻電容編號與 PCB板上的編號相對應(yīng)。 TL494 內(nèi)部特性決定了頻率滿足公式 [2]： 第 10頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 TTosc RCf ?? 通過試驗調(diào)整，最終取 C3=， R7= 。若設(shè)定的誤差增益為200。由于穩(wěn)定時 V15=V16，限流電阻既定 =， 則 V15=V16=。 則 V1 V16的 實際值為)( 5 96 6RR R??= ，限流值 電流為 。為了使紋波變小，可以使用讓三極管工作在臨界飽和區(qū)的 方法 [1]。實際取 R1=300Ω、 R2=100Ω。而實際中，這兩者是矛盾的。 紋波的來源 紋波主要由如下幾方面產(chǎn)生。因為充放電的時間長，導(dǎo)致電壓上下起伏。 開關(guān)三極管的工作狀態(tài)。在示波器中觀察到的波形通常為一個含有豐富高頻分量的尖峰脈沖。開關(guān) 的閉合 越頻繁（ PWM 頻率越高）損失的功率就越多。 第 11頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 問題的解決方法 在紋波允許的情況下，頻率應(yīng)當(dāng)盡量調(diào)低。 當(dāng)然為了達到一定的功率和穩(wěn)定度，頻率要求又不能太低。 在頻 率不可調(diào)低的情況下，增大負載兩端的電容也是有效的方法。 電感過大時，示波器上觀測到的波形會有瞬間電壓下降的現(xiàn)象，且下降是在三極管一阻斷時就發(fā)生的。當(dāng)電感放電時，由于磁飽和時，磁通對電流的導(dǎo)數(shù)did?很小，磁通減小很少的量，電流就瞬間變小很多。 電感也不能過小，電感過小時，儲存的能量 不夠，這樣紋波勢必很大。這是由于電感磁場能釋放盡所致。電感感值一般偏大使磁場飽和。即開環(huán)控制電路。這就是電壓控制子系統(tǒng)的主要功能。由單片機按鍵控制電壓大小，從 DCDC 開關(guān)電源子系統(tǒng)的負載電阻 RL 端輸出單片機數(shù)碼管所顯示的電壓值，誤差≦ 。 （ 2） LPF 的截止頻率非常低 ,將 PWM 波濾波成直流電壓信號輸入給下一級信號變換和隔離電路。 系統(tǒng)各模塊設(shè)計分析 PWM信號產(chǎn)生及其濾波原理 PWM信號即占空比可調(diào)脈沖信號， 可以由單片機小系統(tǒng)產(chǎn)生，并用單片機來調(diào)整其占空比。 如何從不同的 PWM 波中解調(diào)出這個信息呢？用低通濾波器對它進行濾波就可以了。但是實際單片機產(chǎn)生的方波是由有限的諧波疊加產(chǎn)生的，故濾波器的截止頻率應(yīng)該足夠低，以使濾出的波形接近于直流。 整形電路模塊 整形電路模塊原理圖如圖 所示： 圖 整形電路模塊原理圖 [1] 加入整形電路的原因 首先 ?? ??VhV 單片機輸出的方波高電平 Vh1 等于工作電壓 Vcc，不加 整型電路時 Vh=Vh1=Vcc 于是 ?? ??VccV * 但是 Vcc 取自實驗室直流電源，不同的電源輸出的 Vcc 會不一樣， 并不穩(wěn)定， 這樣將會導(dǎo)致濾波器對相同占空比的 PWM 輸入波在不同外接電源下濾出不同的直流分量，引起控制誤差。 第 14頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 整形電路的分析 基于上述分析用非門邏輯電路就可達到這個目的，使非門電路的 Vss 接穩(wěn)定的電源Vccw=4V ，那么經(jīng)過非門的 PWM波的高電平就將穩(wěn)定在 Vh2=Vccw。則在 VKEYa 端得到一個恒定的約為 4V左右的恒定電壓作為 Vccw。我們選取限流電阻 300Ω，滿足要求。 （ 2）加入反相電 路 反相電路模塊核心器件為 HCC4011B反相器，引腳圖如圖 所示： 圖 HCC4011B引腳圖 [4] 第 15頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 HCC4011B 反相器由 4 個與非門組成，要完成反相功能，即將同一個輸入信號接到與非門的兩個輸入端，輸出信號即為反相。同時， 4011B的 Vss 腳接前面得到的穩(wěn)定的 Vccw=。同時也可以根據(jù)周期函數(shù)的拉氏變換得到。 有源低通濾波器種類很多，其中有源 RC 濾波器電路的使用較多，圖 給出了我們所采用的低通濾波電路，它是由 Sallen KEYey 1955 年提出的，圖中三角符號表示電壓放大器，可用運算放大器實現(xiàn)，電壓放大倍數(shù)為： KEY=1+R2/R1 使用此濾波器的目的是將脈沖信號的直流電壓分量取出來， 而盡量濾掉其他頻率分量。對于高頻的輸入信號（信號頻率遠大于濾波器截止頻率）， C C2 可以看作短路此時高頻信號直接從 C1 流入接地線，而不在輸出端出現(xiàn)。 截止頻率 f=1/2π RC，為得到較好的濾波效果，我們選取 C1=C2=1μ， R1=R2=18KEYΩ ,此時f=，觀察結(jié)果，得到很好的支流分量，其他頻率分量基本都被濾掉。 關(guān)于濾波器設(shè)計的更多內(nèi)容見附錄 E。 原理圖如圖 所示： 圖 信號變換和隔離模塊原理圖 [1] （ 1）低通濾波器輸出的直流信號 Vctl 通過限流電阻加載到光耦的發(fā)光二極管兩端控制發(fā)光二極管的發(fā)光強弱。 （ 3）等效變阻器并聯(lián)在后級系統(tǒng) R12 的兩端，從而可以改變后級系統(tǒng)輸出電壓信號分壓比，達到改變輸出電壓的作用。圖 為三極管輸出特性曲線。系統(tǒng)通過對 DCDC 電源的輸出采樣，并對采集到的電壓進行 A/D 轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的 8 位編碼輸出到單片機子系統(tǒng)，從而使其可以依據(jù)反饋信息對輸出電壓進行調(diào)整。由單片機按鍵控制電壓大小，從 DCDC 開關(guān)電源子系統(tǒng)的負載電阻 RL 端輸出單片機數(shù)碼管所顯示的電壓值，誤差≦ 。 系統(tǒng)原理 簡要 分析 電壓測量子系統(tǒng) 原理圖如圖 所示： 圖 電壓測量子系統(tǒng)原理圖 [1] 前面兩級子系統(tǒng)級聯(lián)后，可以開環(huán)控制 DCDC 電壓源輸出電壓。比如溫度引起的某一個電阻變化等，都將使系統(tǒng)的開環(huán)控制不準確。（有關(guān)單片機詳見報告軟件部分） 系統(tǒng)各模塊設(shè)計分析 基準電壓產(chǎn)生模塊 此系統(tǒng)同樣用到 TL431 來產(chǎn)生穩(wěn)定的基準電壓，原理同 ，同樣得到穩(wěn)定輸出的基準電壓為 。 此模塊核心器件為 ADC0804 芯片，其引腳圖如圖 所示： 圖 ADC0804 引腳圖 [6] 被轉(zhuǎn)換的電壓信號從 )(?INV 和 )(?INV 輸入，允許此信號是差動的或不共地的電壓信號 ,模擬地和數(shù)字地分別設(shè)置引入端 ,使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。當(dāng) CCV 電源準確 、 穩(wěn)定時，也可作參考基準。 ADC0804 片內(nèi)有時鐘電路，只要在外部“ CLKEYR”和“ CLKEY”兩端外接一對電阻電容即可產(chǎn)生 DA 轉(zhuǎn)換所需要的時鐘，其振蕩頻率為CLKf ≈ RC。若采用外部時鐘，則外部 CLKf 可從 CLKEY端送入，此時不接 R、 C。如果 CS 和 WR端與 INTR 端相連，則 ADC0804就處于自動循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。 ADC0804 轉(zhuǎn)換器的時序及接口電路 圖 ADC0804 基本應(yīng)用電路 [6] 圖 ADC0804 與單片機接口電路 [1] 單片機的 CS 、 WR、 RD端分別與 ADC0804 的對應(yīng)端口相聯(lián)，數(shù)據(jù)線 DB0— DB7 分別于單片機的 AD0— AD7 相聯(lián) 。 第 21頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 當(dāng) CS 與 WR同時有效時便啟動 DA 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生 INTR 信號，可供輸出查詢或中斷信號。 在 DA 轉(zhuǎn)換過程中，如果再次啟動轉(zhuǎn)換器，則終止正在進行的轉(zhuǎn)換，進入新的轉(zhuǎn)換，在新的轉(zhuǎn)換過程中，數(shù)據(jù)寄存器中仍保持上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這部分電路設(shè)計的關(guān)鍵是選擇合適的 R R2 使 Vo 在 變化時VA 的變化范圍最大。 定義 KEY=（ VIN（ +） – VIN（ ） )/Vref，測得 Vref/2=。 由于內(nèi)部分壓電路的電源來自 0804的電源輸入引腳（不恒定的 5V），所以 Vref/2引腳電壓受到該電源變化的影響比較明顯。 ADC0804 的編 碼原理 令 KEY=（ Vin（ +） Vin（ ）） /Vref （ 51） 則 ADC0804 正常工作時數(shù)字端輸出的編碼 與 KEY 的關(guān)系如 圖 所示 ： 圖 ADC0804 編碼與 KEY的關(guān)系 從（ 51）式及電路圖中不難看出 KEYmin=(VAminVin)/Vref （ 52） KEYmax=(VamaxVin)/Vref （ 53） 第 23頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣 工程學(xué)院 由以上兩式可得為最大范圍利用編