DC-DC开关电源模块及其控制系统(上海交通大学)

技术文件

完成时间：2008-12-10

项目名称：D C-D C开关电源模块及其控制系统

设计小组编号：23

设计小组名单：高敬国(组长)、蒋飙

上海交通大学电子信息与电气工程学院地址：东川路800号

摘要：本文分模块详细阐述了降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计，可实现20~30V输入5~10V输出，开/闭环控制误差范围均在±0.05V以内。该系统以TL494为核心，单片机通过输出PWM信号控制开关三极管的通断，从而达到控制输出电压的目的，而ADC则对输出信号进行转换并反馈给单片机分析处理，形成闭环系统。

关键词：开关电源，单片机，闭环控制，自动拟合，低通滤波器，模数转换

ABSTRACT

This Paper particularly presents the design of each module of voltage-decrease switch mode DC-DC convertor with its control and feedback circuits. It has an input voltage of 20~30V and an output of 5~10V, while the errors of the opened-loop and closed-loop control are both restricted within ±0.05V. This type of power supply uses TL494 as its core element. The MCS dominates the connection and disconnection of the switch audion through the output of PWM signal, in order to control the output voltage. Moreover, the ADC converts the output signal and feeds back to MCS, which can then analyse and deal with it.

KEYWORDS

Switch Mode Power Supply, MCS, Closed-Loop Control, Automatic Fit, LPF, ADC

上海交通大学电子信息与电气工程学院

地址：东川路800号

目录

1. 概述 (1)

1.1编写说明 (1)

1.2名词定义 (1)

1.3缩略语 (1)

2. 系统总述 (2)

2.1系统组成 (2)

2.1.1 DC-DC开关电源子系统 (2)

2.1.2电压控制子系统 (3)

2.1.3电压检测子系统 (3)

2.1.4单片机子系统 (3)

2.2系统的主要功能 (4)

3. DC-DC开关电源子系统的硬件设计 (5)

3.1开关电源子系统的主要功能和设计指标 (5)

3.2开关电源子系统的具体工作原理 (6)

3.3开关电源子系统的参数说明 (8)

3.4专项问题的探讨 (9)

3.4.1纹波的抑制 (9)

3.4.2效率的提高 (9)

3.4.3电感的绕制 (9)

4. 电压控制子系统的硬件设计 (10)

4.1主要功能和设计指标 (10)

4.2电压控制系统的一般原理和逻辑框图 (10)

4.3电压控制子系统的具体工作原理 (10)

5. 电压测量子系统的硬件设计 (17)

5.1主要功能和设计指标 (17)

5.2方案的一般原理和逻辑框图 (17)

5.3设计设计方案中主要部分和参数的说明 (17)

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6. 单片机子系统及软件设计 (21)

6.1软件功能 (21)

6.2软件总体框架 (21)

6.3实验相关元件 (21)

6.4程序设计 (23)

6.4.1重要的全局变量 (23)

6.4.2程序流程图 (24)

6.4.3程序内各重要部分 (25)

6.4.4程序内各重要部分方案 (26)

7. 致谢 (27)

8. 参考文献 (28)

9. 附录A 开发环境 (29)

9.1硬件开发 (29)

9.2软件开发 (29)

10. 附录B 软件程序清单 (30)

11. 附录C 系统操作说明书 (38)

12. 附录D 测试和分析 (40)

12.1测试项目和方法 (40)

12.1.1降压DC-DC开关电源子系统的测试 (40)

12.1.2电压控制子系统（开环）的测试 (40)

12.1.3电压测量子系统（闭环）的测试 (41)

12.2测试的资源 (42)

12.3测试结果及分析 (42)

12.3.1降压型DC-DC电路模块 (42)

12.3.2开环控制功能 (42)

12.3.3闭环控制功能 (43)

13. 附录E 课程学习心得和意见建议 (44)

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1.概述

1.1编写说明

本篇报告为上海交通大学06级电子信息与电气工程学院电子系学生大三第一学期科技创新课程的设计报告，其中详细阐述了有关DC-DC开关电源的硬件与软件设计、开发环境、功能指标以及测试分析方法，旨在全面记录本实验小组的设计思路和操作过程，总结经验与心得体会，供指导老师在检查评分时参考，亦可作为与同学交流沟通的书面材料。本文适合电子相关专业人士以及有一定理论基础的业余电子设计爱好者阅读。

1.2名词定义

●开关式稳压电源：采用开关三极管控制的直流稳压电源，可通过调节占空比控制电压输出。

●单片机小系统：单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出

适配器集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电子计算机中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外置硬盘硬体）和节约成本。它与其外围扩展电路的总和称为单片机小系统。

●开环控制：被控制量（输出量）对控制量（输入量）没有影响，即被控制量只能受控于控制

量，而对控制量无反作用。[1]

●闭环控制：基于负反馈（输入量与反馈量相减）基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原

理组成的系统，也称反馈控制。[1]

●标定占空比：自动拟合模式下，以电压为基准点，系统对应该电压值输出PWM波的占空比。

●电气隔离：两部分支路无电气上的直接联系，使相互间的干扰降到最小。

●模数转换：将模拟信号转化为数字信号。

●占空比：方波信号一个周期内高电平所占的比例。

●过流保护：设定系统电流上限，防止功耗过大，导致元件损坏。

●开关频率：开关电源中，开关管导通的频率。

●电压调整率：输入电压变化时，输出电压变化幅度与输入电压变化幅度的比值。

●纹波：叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号。

1.3缩略语

DC(direct current)：直流LPF(low pass filter) 低通滤波器

PWM(Pulse-Width Modulation)：脉宽调制 ADC(analog digital)：模拟-数字转换

LPF(low-pass filter)：低通滤波器

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