系统集成说明书.doc

中北大学
课 程 设 计 说 明 书

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2015 年 7 月 1 日

目录
1 课程设计目的 1
2 课程设计内容和要求 1
2.1 设计内容 1
2.2 设计要求 1
3 设计方案及实现情况 1
3.1 设计方案及论证 1
3.1.1 DC-DC主回路拓扑 1
3.1.2 控制方案选择 2
3.2 工作原理及框图 2
3.2.1 Boost升压主电路 2
3.2.2开机保护电路 4
3.2.3开关管保护电路 4
3.2.4 输出滤波和输出过流保护 4
3.2.5 KL26主控电路及采集 5
3.2.6 键盘输入及显示 5
3.3 效率分析及计算 6
3.4 硬件电路原理图 6
3.5 仿真分析 7
3.6 PCB版图设计 8
3.7 系统测试 8
3.7.1测试使用的仪器 8
3.7.2测试方法 8
3.7.3测试数据 8
3.7.4 指标完成 9
4 课程设计总结 9
参考文献 9

1 课程设计目的
1.学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握开关电源的工作原理。
2.掌握C语言开发设计，熟悉单片机的工作原理。
3.掌握基于单片机系统的开发设计。
2 课程设计内容和要求
2.1 设计内容
设计并制作一个开关稳压电源。输入220V交流电，输出30V~36V可调直 流电。通过液晶屏显示。
2.2 设计要求
基本要求：（在电阻负载条件下，使电源满足下述要求）
1、输出电压UO可调范围：30V～36V；
2、最大输出电流IOmax：2A；
3、U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；
4、IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；
5、输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；
6、DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；
发挥部分：
1、进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；
2、进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；
3、提高效率，使效率≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；
4、能对输出电压进行键盘设定和步进调整，同时显示输出电压电流。
3 设计方案及实现情况
3.1 设计方案及论证
3.1.1 DC-DC主回路拓扑
方案一：图1是间接直流变流电路：结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。

图1 间接直流电路
方案二： Boost升压斩波电路：拓扑结构如图1-2所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感L储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=(ton+toff)，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。（如图2）

图2 boost升压电路
综合比较，我们选择方案二。
3.1.2 控制方案选择
方案一：利用PWM专用芯片产生PWM控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。
方案二：利用KL26单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。
我们选择方案二 。
3.2 工作原理及框图
3.2.1 Boost升压主电路
图3是Boost升压电路包括驱动电路和Boost升压基本电路。电力晶体管（GTR）耐压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管IRF540。选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1 A电流时仅为0.35V，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。
（1） 电感值的计算：

其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20 kHz,输出电压为36V时，LB=527.48μH，取530μH。电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由得d=0.892 mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。
（2）电容的参数计算：

其中，ΔUO为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,UO=36V时,CB=1465μF,取为2000μF，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。
（3）boost损耗计算：
输出电流有效值
代入数据得 IO-RMS=2.069 A
而电容的损耗
等效串联电阻ESR取为10 mΩ，代入得PCO1=0.0428 W

图 3 主回路

3.2.2开机保护电路
在直流输入端串联一支保险丝（250V，5A），从而实现过流保护,反接保护功能由二极管和保险丝实现。用NTC电阻实现了对开机浪涌电流的抑制，当上电瞬间，电阻很大，从而对其防止浪涌电流产生。（如图4）

图4 开机保护电路

3.2.3开关管保护电路
利用IR2302的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，当电压达到200mv的时候比较器输出高电平，使IR2302的SD管角接高电平，从而使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏，为了防止尖峰电流的产生使芯片误判，我们采用逐波防锁电路。（如图5）

图 5 开关管保护电路
3.2.4 输出滤波和输出过流保护
我们采用电感和电容进行滤波，效果比只使用电容好，我们通过康铜丝采集电流。当电流超过2.5A的时候打开继电器。从而关闭电源。输出端串接电流采样电阻RTEST2，材料选用温漂小的康铜丝。电压信号需放大后送给单片机进行A/D采样。过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。为了降低纹波，采用LC低通滤波器如图6。取截止频率fL=200 Hz，电容取470μF，由

代入得L=215.80 μH，取220μH

图 6 过流保护电路

3.2.5 KL26主控电路及采集
单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整PWM控制信号的占空比，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为系统提供过流保护、过热保护、过压保护等措施，并实现输出电压、输出电流和输入电压的测量和显示。
PWM信号占空比 ；
当U2=15V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=16V， 最大值DMAX=0.556；
当U2=21V，UO=30V时，UIN=1.4*U2-2V=27.4V，最小值DMIN=0.087
系统对于单片机A/D采样精度的要求：题目中最高的精度要求为0.2%，欲达到这一精度，A/D精度要达到1/500，即至少为9位A/D，MP430内置A/D为12位，只要合理设定测量范围，完全可以达到题目的精度要求。
3.2.6 键盘输入及显示
分别通过键盘和LCD实现数字设定和显示。键盘用来设定和调整输出电压；输出电压、输出电流和输入电压的量值通过LCD显示。
3.3 效率分析及计算（U2=18V,输出电压UO=36V,输出电流IO=2A）
DC-DC电路输入电压UIN=1.2*U2-2V=19.6V，信号占空比D≈1-UIN/UO=0.456，
输入电压有效值IIN=IO/（1-D）=3.676A， 输出功率PO=UO*IO=72 W
下面计算电路中的损耗P损耗：
Boost电路中电感的损耗：
，
其中，DCR1为电感的直流电阻，取为50 mΩ，代入可得PDCR1=0.68 W
Boost电路中开关管的损耗
开关损耗：
PSW=0.5*UIN*IIN（tr+tf）*f
其中，tr是开关上升时间，为190ns,tf是开关下降时间，为110ns,f是开关频率，为20 kHz,代入可得 PSW=0.2160 W
导通损耗

其中，导通电阻RDSON=77 mΩ，电流感应电阻RSNS取0.1 Ω，代入得PC=1.23 W
肖特基二极管的损耗
流过二极管的电流值与输出电流I0相等，则二极管损耗，其中，IO=2 A,取二极管压降VD为0.35 V，代入可得PD=0.7 W两只采样电阻上的总损耗为0.9 W ，综上，电路中的总损耗功率P损耗=4.5W
DC-DC变换器的效率η= PO /（PO+P损耗）=94%

3.4 硬件电路原理图
图7 为整个系统的电路原理图。

图 7 总电路图
3.5 仿真分析
图8采用multisim对主回路仿真，通过示波器查看输出电压，进过比对，和理论值相近。改变信号源的占空比，输出电压发生变化。

图8仿真设计
3.6 PCB版图设计
图9采用AD11进行电路板设计，采用手工布线和自动布线相结合设计。对控制信号进行覆铜，防止大电流干扰。
（1） 电源线宽和地线宽采用80mil。信号线采用18mil。
（2） 对主回路和控制信号分开覆铜。

图 9 PCB板
3.7 系统测试
3.7.1测试使用的仪器
表1 列出了测试中所需的仪器和数量。

表1测试使用的仪器设备
序 号
名称、型号、规格
数量
备注
1
FLUKE 15B 万用表
4
美国福禄克公司
2
TDGC-2接触调压器（0.5KVA）
1
上海松特电器有限公司
3
KENWOOD CS-4125 示波器
1
带宽20MHz
3.7.2测试方法
图10 为整个电路系统的测试点。

图10 测试连接图

3.7.3测试数据
（1）电压调整率（测试条件：IO=2A，UO=36V）。
U2=15V时，UO1=35.98V；U2=21V时，UO2=36.13V，压调整率SU=（UO2-UO1）/（O1=0.42%）
（2）负载调整率SI测试 （测试条件：U2=18V，UO=36V）。
IO=0A时，UO3=36.29V；IO=2A时，UO4=36.04V，载调整率SI=（UO3-UO4）/UO3=0.69%。
（3）C-DC转换器效率η测试（测试条件：IO=2A，UO=36V，U2=18V）。
UIN=19.5V，IIN=3.88A；UO=36.00V，IO=1.975A，DC-DC转换器的效率为93.97%。
3.7.4 指标完成
表2 为整个系统完成的情况。
表2试数据与设计指标的比较
测试项目
基本要求
发挥要求
电路测试结果
输出电压可调范围
30V-36V

实现
最大输出电流
2A

实现
电压调整率
≤2％
≤0.2%
0.1%
负载调整率
≤5％
≤0.5%
0.1%
输出噪声电压峰峰值
≤1VPP

340mVPP
DC-DC变换器效率
≥70%
≥85%
87%
输出电压设定和步进调整

步进1V，测量和显示电压电流
实现，步进可达0.1V。
4 课程设计总结
本电路结构简单，功能齐全，性能优良，除个别指标外均达到并超过了题目要求。保护电路完善，使用更安全。使用同步采样技术和多种抗EMI技术使得本电路更加环保。由于时间紧张，任务较为繁重，本电路尚有不足之处，如输出纹波偏大等。这些都是以后我们努力和改进的方向。
改进方法：
(1) 用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采用低阻电容；
(2) 使用软开关技术，进一步减小电力MOS管的开关损耗；
(3) 采用同步式开关电源的方案，用电力MOS管代替肖特基二极管以减小损耗；
(4) 优化软件控制算法，进一步减小电压调整率和负载调整率。
5 参考文献
（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002
（2）张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004
（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，2005
（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005
（5）潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，2002
附件：
源程序：
1、功能实现文件
#include "common.h"
#include "include.h"
#define NM 5
uint16 ad_value[5][NM];
uint16 ad_val[5]={0};

uint8 var[2]={0};
int16 a;
float ofv,ofc;
volatile float lcd_ofv,lcd_ofc;
vint16 out_put;
int32 dp0=0,dm0=0,dp1=0,dm1=0;
extern float new_val;

void source_init()
{
DisableInterrupts;
NVIC_SetPriorityGrouping(0x3);
NVIC_SetPriority(PIT0_IRQn, 0);
NVIC_SetPriority(LPTMR_IRQn, 1);
LCD_Init();
LCD_P8x16Str(0,0,"set:");
LCD_P8x16Str(0,2,"out:");
LCD_P8x16Str(0,4,"output_v:");
LCD_P8x16Str(0,6,"output_c:");

ftm_pwm_init(FTM0, FTM_CH0,30*1000,0);
key_init(KEY_MAX);
PID_init();

adc_init (ADC0_SE12 );
adc_init (ADC0_SE13 );

adc_init (ADC1_SE14 );
adc_init (ADC1_SE17 );
gpio_init (PTC9, GPO,0);
pit_init_ms(PIT0,20);
enable_irq(PIT0_IRQn);
EnableInterrupts;
}

pid_t pid;
void PID_init()
{
pid.Voltage=0;
pid.SetVoltage=0.0;
pid.ActualVoltage=0.0;
pid.err=0.0;
pid.err_last=0.0;
pid.err_next=0.0;
pid.Kp=26.0;
pid.Ki=5.3;
pid.Kd=0;
}

void date_get()
{
int8 i,j,k;
uint16 ad_result[5][5]={0};
uint16 temp=0,ad_sum[5]={0},AD_sum[5]={0},ad_result_tmp[5]={0};

for(i=0;i<5;i++)
{
ad_result[0][i]=adc_ave(ADC0_SE12,ADC_10bit,15);
ad_result[1][i]=adc_ave(ADC0_SE13,ADC_10bit,15);
ad_result[2][i]=adc_ave(ADC1_SE14,ADC_10bit,15);
ad_result[3][i]=adc_ave(ADC1_SE17,ADC_10bit,15);
}

for(i=0;i<5;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
for(k=0;k<4-j;k++)
{

if(ad_result[i][k] > ad_result[i][k+1])
{
temp = ad_result[i][k+1];
ad_result[i][k+1] = ad_result[i][k];
ad_result[i][k] = temp;
}
}
}
}

for(i=0;i<5;i++)
{
ad_sum[i] = ad_result[i][1] + ad_result[i][2] + ad_result[i][3];
ad_result_tmp[i] = ad_sum[i] / 3;
}

for(i = 0;i < NM-1;i ++)
{
ad_value[0][i] = ad_value[0][i + 1];
ad_value[1][i] = ad_value[1][i + 1];
ad_value[2][i] = ad_value[2][i + 1];
ad_value[3][i] = ad_value[3][i + 1];
ad_value[4][i] = ad_value[4][i + 1];
}
for(i=0;i<5;i++)
ad_value[i][NM-1]=ad_result_tmp[i];
for(i = 0;i < NM;i ++)
{

AD_sum[0] += ad_value[0][i];
AD_sum[1] += ad_value[1][i];
AD_sum[2] += ad_value[2][i];
AD_sum[3] += ad_value[3][i];
AD_sum[4] += ad_value[4][i];
}
for(i=0;i<5;i++)
{

ad_val[i] = AD_sum[i] / NM;
AD_sum[i] = 0;
}

}

void date_analyse()
{
dp0 = ad_val[0];
dm0 = ad_val[1];

dp1 = ad_val[2];
dm1 = ad_val[3];

ofc = (float)(dm0-dp0)/1024.0*3.23/0.050;
ofv = (float)(dm1-dp1)/1024.0*3.23*7.790+17.96;
lcd_ofv=ofv;
lcd_ofc=ofc;

}

float voltage_pid(float voltage)
{

uint8 index;
pid.ActualVoltage = ofv;
pid.SetVoltage=voltage;
pid.err=pid.SetVoltage-pid.ActualVoltage;
float incrementVoltage=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err+pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last);
pid.Voltage+=incrementVoltage;
pid.err_last=pid.err_next;
pid.err_next=pid.err;
return pid.Voltage;

}

void date_execute()
{
int16 tmp=0;

date_get();
date_analyse();
tmp =(int16) voltage_pid(new_val);
if(tmp>550)
tmp=550;
if(tmp<50)
tmp=50;
out_put=tmp;
}
2、主程序
#include "common.h"
#include "include.h"
extern float new_val;
extern vint16 out_put;
extern float lcd_set,lcd_out;
extern vint16 tt;
extern volatile float lcd_ofv,lcd_ofc;
void vcan_sendware(uint8 *wareaddr, uint32 waresize);
extern uint8 var[2];

void main()
{

source_init();
while(1)
{
deal_key_event();
DisplayFloat8x16(lcd_set,40,0);
DisplayFloat8x16(lcd_out,40,2);
DisplayFloat8x16(lcd_ofv,80,4);
DisplayFloat8x16(lcd_ofc,80,6);
ftm_pwm_duty(FTM0,FTM_CH0,100);
//vcan_sendware((uint8_t *)var, sizeof(var));
}

}
14