低纹波直流稳压电源

2014年全国大学生电子设计竞赛

H 题低纹波直流稳压电源

【专科组】

2014年9月6日

摘要

本低纹波直流稳压电源主要设计共分三大部分：开关稳压模块及反馈模块、线性稳压及采样模块、控制系统。控制系统包括液晶显示、键盘输入、单片机。以单片机为核心，在单片机中进行信号的处理及控制，用液晶显示出需要显示的值，开关稳压模块及反馈模块由TL494、IR2110、AD820等模块及电路组成，线性稳压及采样模块由LM358、MAX4173、AD623AN、ACS712等模块电路组成，这样的设计可以使整个系统容易满足设计的要求。

关键词：直流稳压、采样、单片机

ripple dc regulated power supply is mainly design is divided into three parts: a switching module and feedback module, linear regulator and sampling module, the control system. Control system includes a liquid crystal display, keyboard input, single chip microcomputer. With the single chip processor as the core, in the single chip microcomputer for signal processing and control, with the need to display the value of the liquid crystal display (LCD), a switching module and feedback module by TL494, IR2110, AD820 modules and circuit, linear regulator and sampling module by LM358, MAX4173, AD623AN, ACS712 module circuit, this design can make the whole system is easy to meet the requirements of design.

Keywords: dc voltage regulator, sampling, single chip microcomputer

目录

1系统方案 (2)

1.1 开关稳压模块及反馈模块系统的论证与选择 (2)

1.2 线性稳压及采样模块的论证与选择 (3)

1.3 控制系统的论证与选择 (4)

2单元电路设计 (5)

2.1 开关稳压模块及反馈模块 (5)

2.1.1 开关稳压模块及反馈模块原理图 (5)

2.1.2开关稳压模块及反馈模块原理分析 (5)

2.2线性稳压及采样模块 (5)

2.2.1 线性稳压及采样模块原理图 (6)

2.2.2 线性稳压及采样模块分析 (6)

2.3 控制系统 (6)

2.3.1 控制原理图 (6)

2.3.2 控制原理分析 (7)

3系统软件设计 (7)

3.1主程序流程图 (7)

3.2显示流程图 (8)

3.3 DA采集流程图 (8)

4测试方案与测试结果 (9)

4.1 测试条件与仪器 (9)

4.2 测试方法 (9)

4.3 测试结果及分析 (9)

附录1：PCB图 (11)

附录2：源程序 (15)

1系统方案

本系统主要由开关稳压模块及反馈模块、线性稳压及采样模块、控制系统三部分。，下面分别论证这3个模块的选择。

1.1开关稳压模块及反馈模块的论证与选择

方案一：Buck-Boost电路。此电路由Buck变换器后串一个Boost变换器，经过等效简化而得，可以降压和升压。此电路特点是结构简单，控制方便；可实现升降压，但当增加流过电感等元件的电流时，元件会应电流过大，出现效率低和发热等问题。

方案二：新型Buck-Boost电路。新颖的Buck-Boost电路-Boost-Interleaved Buck-Boost变换器(BoIBB)。此电路有两个独立控制的开关器件，可使电路分别工作在Buck模式和Boost模式。。这种拓扑不仅能实现升降压，而且可以减小开关压力，还可以限制浪涌电流的大小。但是该电路控制复杂，输入电流和输出电压波纹较大。

方案三：Cuk电路。该电路是根据Boost电路和Buck电路的组合进行研究变换后得到的一个电路。该电路只有一个开关，控制简单，导通比可大于0.5。在输入和输出之间由一电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。相比Buck-Boost电路，该电路具备以下突出优点：电路输入、输出电流连续，没有脉动，纹波很小，不会造成较强的电磁干扰；输出电压稳定，纹波小；具有良好的调压特性，占空比在0～1之间变动时，变压比在零到正无穷之间变化；与带输入输出滤波器的Buck-Boost变换器、输入滤波器的Buck变换器、带输出滤波器的Boost变换器相比，元件较少，功能较强，无需另加辅助电源板，等优点。

鉴于上面分析，本设计选用方案三。

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。

在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点是中小功率变换装置中驱动器的首选。

AD820是一块精密、低功耗、FET输入运算放大器，可以采用5V至36V单电源或±2.5V至±18V双电源供电。

根据系统的要求及实际的运用，由上面的三个主要元件组成开关稳压模块及反馈模块，可以比较合理满足实验过程中所需要的实验条件。

1.2 线性稳压及采样模块的论证与选择

方案一：低压差稳压电路

图 1 低压差稳压电路

采用PNP型功率管作调整管，并且不需要驱动管。可大大降低输入-输出压差。满载时输入-输出压差的典型值小于500mV，轻载时仅为10~50mV。但低压差线性稳压器有其不足之处，即所需的基极驱动电流及静态工作电流Id较大。满载时若PNP管的β值为15～20倍，则LDO的Id≈(5%～7%)Io。由它产生的功耗会限制稳压器效率的进一步提高，这在电池供电的低功耗系统中是不容忽视的问题。

方案二：准低压差集成稳压电路

图 2 准低压差集成稳压电路

它兼有普通集成稳压器驱动电流小、低压差集成稳压器输入-输出压差低的优点。但其容量可比低压差稳压电路用得小，对电容的等效串联电阻(ESR)要求较低。

方案三：超低压差稳压电路

图 3 超低压差稳压电路

采用P沟道功率场效应管MOSFET来代替PNP型功率管作为调整管，MOSFET 本身还带保护二极管(VD)。P沟道MOSFET属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流。

综合以上三种方案，选择方案三。

LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。它在电路中应用于线性稳压模块。

MAX4173、AD623AN应用于采样模块，用来采样数据发给单片机处理、控制，它们一起组成比较可靠的采样电路，对整个系统一定的作用。

1.3 控制系统的论证与选择

（1）单片机选择：

方案一：单片机选择使用AT89C51。与MCS-51 兼容，4K字节可编程闪烁存储器。全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定，128x8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器

方案二：单片机选择使用用STC89C5。一个时钟/机器周期8051，超强加密，高速，高可靠，低功耗，强抗静电，强抗干扰。

选择方案：因为ST89C5A可以将时钟可以提高12倍，读写速度快。节约系统的反应时间，让系统更加高效。

方案选择：方案二。

（2）显示部分：

方案一：LCD1602A液晶屏，其内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形。输入电压为5V。

方案二：LCD12864液晶屏，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。逻辑工作电压(VDD)：4.5～5.5V。

选择方案：因为本题只需要显示稳压电源的输出功率，显示内容不多，相比较而言，12864功耗就太大，并且12864价格相对较贵，不划算。

方案选择：方案一。

2单元电路设计

2.1 开关稳压模块及反馈模块

2.1.1开关稳压模块及反馈模块原理图

图5、关稳压模块及反馈模块原理图

2.1.2开关稳压模块及反馈模块原理分析

该电路由TL431提供2.5V的基准电压，采用P沟道功率场效应管MOSFET来代替PNP型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管(VD)。R4，C3组成积分电路延缓跳变电压。C1，C2，C5，C6起滤波作用。采用P沟道功率场效应管MOSFET来代替PNP型功率管作为调整管，MOSFET本身还带保护二极管(VD)。P沟道MOSFET属于电压控制型器件，其栅极驱动电流板小，而通态电阻非常低，通态压降远低于双极性晶体管的饱和压降，这不仅能大大降低输入-输出压差，还能在微封装下输出更大的电流

2.2线性稳压及采样模块

2.2.1 线性稳压及采样模块原理图

图6、线性稳压及采样模块原理图

2.2.2 线性稳压及采样模块原理分析

MAX 4173 的内部结构是由A1和A2是两个运算放大器, 构成差动输入, 这样可以增强抗干扰能力, 提高小电流信号的测量准确度;Q1 和Q2是两个三极管;COMP 是一比较器;Rsence 是电流采样电阻,采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。

2.3 控制系统

2.3.1 控制系统电路原理图

图7、控制系统电路原理图

2.3.2 控制系统电路原理分析

液晶显示器件LCD 的显示原理是：在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。

3系统软件设计

3、1主程序流程图

开始

初始化

是否到20ms ？

显示

是否到50ms ？ 检测电压、电流值

是

否

否

是

图11主程序流程图3.2显示流程图

开始

显示电流值

显示电压值

显示功率

返回

图12显示流程图3.3电压电流检测流程图

电压检测

电流检测

返回

图13电压电流检测流程图

4测试方案与测试结果

4.1 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，硬件电路与系统原理图完全相同，硬件电路无虚焊。各模块均正常工作。道示波器、数字万用表、大功率滑动变阻器、计算机、USB转串口通信线。

4.2 测试方法

首先，根据总体设计方案图进行电路的连接，并检查电路无误后，开通电源。

其次，开通数字万用表和示波器，并确定它们正常工作。

最后，触摸触摸点，让电压步进增加或减小，观察液晶显示的读数和示波器的读数并进行比较，列表。（读数包含相应的电流和电压值）多次进行触摸，观察系统的稳定性。

负载调整率的定义为电源在输出负载电流变化时，其提供稳定输出电压的能力。所需的设备和连接方式与测电源调整率相似，唯一不同的是需要精密的电流表和与待测电源的输出串联。测试步骤如下：待测电源在正常输入电压及负载情况下热机稳定后，测量正常负载下的输出电压值，再分别于低(Min)、高(Max)负载下，测量并记录其输出电压值(分别为Vmax与Vmin)。负载调整率通常以正常的固定输入电压下，由负载电流变化所造成电源输出电压偏差率的百分比。

待测电源在正常输入电压和负载情况下热机稳定后，分别于Min（低）Nomal(通常)，和Max(高)输入电压下测量并记录其输出电压值。电源调整率通常在一正常之固定负载(Nommal Load)下，看具输入电压变化所造成电源输出电压偏差率(deviation)的百分比。

4.3 测试结果及分析

表1

基本要求1所测得电路数据

输出电压负载效率

5V 10Ω

基本要求2所测得电路数据

RL 10Ω10Ω10Ω10Ω10Ω

输入电压0V 5V 10V 15V 20V

输出电压20MV 5.01V 10.01V 15.01V 20.01V

电压调整率符合符合符合符合符合

基本要求3所测得电路数据

输出电压负载输出纹波

5V 10Ω20mv

发挥部分1所测得电路数据

输出电压负载效率

5V 10Ω

发挥部分2所测得电路数据

输出电压负载输出纹波

5V 10Ω15mv

发挥部分3所测得电路数据

输出电压0V 5V 10V 15V 20V

显示电压0 4.98V 10.01V 14.99V 19.98V 误差0 0.02 0.01 0.01 0.02

综上所述，本设计达到设计要求。

附录1：原理图

附录2：PCB图

附录3：源程序

#include

#include"ADS7841Driver.h"

#include"TLV5618Driver.h"

#include "keyboard.h"

#include "lcd1602.h"

sbit Yellow = P2^3;

sbit Green = P2^4;

uint DA_hou = 5000;//后级线性放大系数

uint DA_qian= 5396;//后级线性放大系数

void delay_50ms(uint t)

{

uchar j;

for(;t>0;t--)

for(j=6248;j>0;j--);

}

void LCDdispAD(uchar ADDR, uint ADSdata, uchar Disp_num) {

uchar temp;

if(Disp_num ==4)

{

write_com(ADDR);

temp = ADSdata%10000/1000;

temp = temp + 0x30;

write_date(temp );

temp = ADSdata%1000/100;

temp = temp + 0x30;

write_date( temp );

temp = ADSdata%100/10;

temp = temp + 0x30;

write_date( temp );

temp = ADSdata%10;

temp = temp + 0x30;

write_date( temp );

}

if(Disp_num ==5)

{

write_com(ADDR);

temp = ADSdata/10000;

temp = temp + 0x30;

write_date(temp );

temp = ADSdata%10000/1000;

temp = temp + 0x30;

write_date(temp );

temp = ADSdata%1000/100;

temp = temp + 0x30;

write_date( temp );

temp = ADSdata%100/10;

temp = temp + 0x30;

write_date( temp );

temp = ADSdata%10;

temp = temp + 0x30;

write_date( temp );

}

}

main()

{

long AD_data;

uchar keyval, i, feedback_flag = 0, f_i;

uchar MagData[5], Magcount;

uint MagV, MagVtemp, fbtemp;

uint tiaozheng,V_M_filter_val, I_M_filter_val; uint tiaozhengxielv = 0;

uchar guoliu = 0;

long AD_temp, V_M_filter, I_M_filter;

delay_50ms(1000);

MagV = 1000;//初始化

lcd_ini();

write_com(0x80);

delayus(1);

write_date('U');

delayus(1);

write_com(0x86);

delayus(1);

write_date('m');

delayus(1);

write_date('V');

delayus(1);

write_com(0x89);

delayus(1);

write_date('I');

delayus(1);

write_com(0x80+14);

delayus(1);

write_date('m');

delayus(1);

write_date('A');

TLV5618_W_mv(0, 0);//调节基准

delay_50ms(2);

TLV5618_W_mv(1, 0);//调节基准

delay_50ms(2);

i =0;

f_i = 0;

V_M_filter_val=0;

V_M_filter=0;

I_M_filter_val=0;

I_M_filter=0;

while(1)

{

////////////////////////////////////////////////////////////

f_i ++;

AD_data = ads7841_W_R(0);////通道0

AD_data = AD_data*100;//电流系数

AD_data = AD_data / 193;

I_M_filter = I_M_filter + AD_data;//电流累加

if(f_i==20)

{

I_M_filter_val = I_M_filter / 20;

I_M_filter = 0;

LCDdispAD(0x80+10, I_M_filter_val , 4);//////////显示输出电流Io }

if((I_M_filter_val>=1994)&&(guoliu==1))//过流保护

{

write_com(0xC0);

write_date('I');

write_date('o');

write_date(' ');

write_date('t');

write_date('o');

write_date('o');

write_date(' ');

write_date('L');

write_date('a');

write_date('r');

write_date('g');

write_date('e');

write_date('!');

write_date('!');

Yellow = 0;

TLV5618_W_mv(0, 0);//调节后级线性稳压

TLV5618_W_mv(1, 0);//调节DCDc前级

while(1)

{