全国电子线路设计大赛 20页

摘要：开关电源因为其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点日益得到广泛的应用。目前，国内外开关稳压电源的发展的趋势是不断提高输出效率和输出功率。要提高输出的效率，必须提高电源的开关频率。这就对电路中其它器件的频率特性提出了更高的要求。本设计采用单端正激变换器作为主回路，并且采用专用的PWM脉宽调制芯片UC3844作为主控制芯片、应用单片机AT89C52完成电流、电压采样、测量和液晶显示，实现具有输出电压稳定等各项指标优良的高效DC-DC开关稳压电源。关键字：单端正激变换器PWM控制芯片单片机2.2方案论证及选择2.2.1方案一：采用反击变换器设计激变换器设计，其主回路电路图如下：其工作原理 为：MOSFET导通时为电能储存的阶段，这时变压器可看成一个电感，当MOSFET导通，变压器储存能量，原边绕组的电流Ip将会线性增加，当MOSFET断开时，变压器释放能量，供给负载，此时原边电流降到零，副边整流二极管导通，感生电流将出现在副边。根据电感的伏秒积平衡可以得到：，所以输出电压和输入电压的关系为,通过控制开关管的导通时间（即“占空比”）去控制输出电压，即可得到想要输出的电压。而控制占空比可以通过设计控制回路，用PWM控制芯片UC3843来控制MOSFET的导通和关断时间，进而调节占空比。2.2.2方案二：采用单端正激变换器设计用单端正激变换器设计，其主回路电路图如下: 复位绕组中，磁复位绕组有下正上负的Vin，则副边绕组两端有下正上负的Ns/Nm*Vin，二极管D1截止，D2续流导通，电感释放能量，供给负载。同样根据电感的伏秒积平衡可以得到输入电压与输出电压的关系：（Ns/Np*Vin-Vo）DT=Vo(1-D)T,所以Vo=Ns/Np*D*Vin。也可以通过调节占空比来控制输出电压。2.2.3方案比较及选择方案一，采用反激变换器设计时，虽然简单低耗，但是经过计算，得知其峰值电流超过30A，并且纹波电压比较大，而采用单端正激变换器设计时，最大峰值电流为10.99A，相对较小，这样的话，铜损较小，并且输出纹波电压较小，正激变换器的能量储存于输出电感是有利的，储能电容可以取得很小，因为它只用来协助降低输出纹波电压，而且相对于反激变换器而言，电容上通过纹波电流额定值要求小一些。经过综合考虑之后，我们选择用单端正激变换器作为主回路来设计符合题目要求的开关电源。2.3单元模块设计2.3.1主回路设计主回路电路图：如图所示 ，主回路由变压器进行了电气隔离，符合题目要求，变压器原边是输入部分，输入电压经过电容滤波后到达变压器原边两端，由MODFET控制回路的导通和关断，当MOSFET导通时，变压器接受的能量除磁化电流外都传递到输出端，当其关断时，导向二极管D5反偏而不可能有钳位作用或能量泄放到回路，磁化能量将引起较大反压加在MOSFET集-射极之间，为防止高反压的出现，设置磁复位线圈经过二极管D2，使存储的能量反送回电源Vin中，变压器副边在MOFET导通时产生感生电压，经过二极管和电容整流滤波后给负载供电，同时电感储存能量，当其断开时，电感释放能量。2.3.2控制回路设计控制回路由PWM脉宽调制芯片UC3844作为主控制芯片，用TL431的内部参考2.5V作为参考电压，经过具有电气隔离特性的PC817光耦传送给UC3844的补偿端1脚，若输出电压增大或减小时，控制芯片会根据其变化来控制驱动波形的占空比，即控制MOSFET的开通或关断时间，进而使输出电压达到稳定。其电路图如下：2.3.3辅助电源设计在本 开关电源中，需要设计两个辅助电源，原因如下：首先，要使TL431正常工作，其3脚和2脚之间的电压应不小于2.5V，并且光耦正常工作的前提下，其内部发光二级管两端至少应有1.2V电压，也就是说Vcc2与TL4312脚之间应有不小于3.7V的电压，而输出电压仅有3.3V，不足以给其供电;其次，控制芯片UC3844在16V时开启，10V关断，并且其所承受的最大电压为40V左右，而输入电压最小为41V，不能直接给其供电，综上考虑，需要设计两个辅助电源分别给上述两部分供电。因此，在变压器中引出两个绕组，用三端集成稳压芯片7818和7812分别输出18V和12V电压为其供电。电路图如下：2.3.4输出显示部分设计输出显示部分，我们选择用ADC0809、AT89S52单片机和LCD1602液晶显示器来实现输出我们的设计思路是先用ADC0809采集到电压，进行模拟信号与数字信号的转换，最终转换成8位2进制的数字信号传入单片机，之后经过AT89S52单片机的处理，将数据传入到LCD1602液晶显示器中，使其实现显示的功能。（1）ADC0809的内部逻辑结构由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转 三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADCADC0809模数转换器的引脚功能IN0～IN7:８路模拟量输入。A、B、C:３位地址输入，２个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。ALE:地址锁存启动信号，在ALE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。D0～D7:八位数据输出线，A/D转换结果由这８根线传送给单片机。OE:允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。START:启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。EOC:转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。 CLK:时钟输入信号，0809的时钟频率范围在10～1200kHz，典型值为640kHz。ADCADC0809模数转换器的引脚功能  ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11条   ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。ADC0809时序图ADC0809应用说明（1）．ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。（2）．初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（5）．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）． 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。(2)1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表10-13所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB 5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容控制命令表1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。表10-15：基本操作时序表读写操作时序如图所示： 写操作时序1602LCD的RAM地址映射液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图10-57是1602的内部显示地址。图10-571602LCD内部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是B（40H）+B(80H)=B(C0H)。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图10-58所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”（3）根据上述ADC0809和LCD1602的时序图以及引脚功能，我们设计出了了显示部分,仿真图如下。（程序代码见附录3） 2.4电路主要参数的计算及元器件的选择令Vin最小时，Dmax=0.42,Bm=0.2T,f=75KHZ,=85%(1)所需AP值Pin=AP=（）1.143=0.20693cm4（2）磁芯选择因为所选磁芯的AP值要使所需AP值的二倍以上，所以考虑选择EE40型磁芯，其参数为：AP=1.3824cm4,Ae=128mm2,Aw=108mm2（3）原边所需匝数Np(4)原边匝数比:(5)副边匝数:(6)重新核算:磁复位：(7)辅助电源匝数:取7匝当时,(8)计算：温升, （9）计算DP:(10)电感电流峰值:(11)电感所需AP值:磁芯型号:EE40(12)电感绕组匝数(13)计算DL： （14）MOSFET的选取：选IRF640，18A，200V（15）DIODE二极管：，选MBR20100,20A，100V（16）电流采样电阻：选（17）保护动作电流：（18）电压采样电阻：令R13=4.7K2.5测试方法与数据测试方法2.5.1纹波噪声1、测试环境温度：25℃2、示波器探头：1：13、示波器带宽设为最大：40MHz4、测试地点：正常实验台测试5、输出电压电流：UO=3.3V、IO=10A6、输入电压：U2=41V-57V 2.5.2输入电压调整率1、环境温度：25℃2、输出：IO=10A3、输入电压：最小、最大2.5.3负载调整率1、环境温度：25℃2、输入：U2=48V3、输出电流：最小、最大2.5.4测试仪器电路测试中使用的仪器设备及其用途如表3-1 四．原理图附录二：参考文献[1]张迎新.单片机初级教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2000年[2]于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，1999年[3]胡学林.可编程控制器应用技术[M].北京：高等教育出版社，2001年第一版[4]方承远.工厂电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2004年第二版[5]孙增圻.计算机控制理论及应用[M]. 北京：清华大学出版社，1989年[6]宋浩,田丰.单片机原理及应用[M].北京:北京交通大学出版社,2005年[7]陈明荧.8051单片机课程设计实训教材[M].北京:清华大学出版社，2004年[8]张红润,张亚凡.单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2004年[9]何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航天航空大学出版社,2004年[10]张志良.单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005年第二版[11]李建忠.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002年[12]赵伟军.Protel99SE教程[M].北京:人民邮电出版社,2004年第一版：47-54[13]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高教出版社,2004年第一版:87-91[14]刘定斌.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京:人民邮政出版社,2003年[15]唐俊翟.单片机原理及应用[M].北京:冶金工业出版社,2003年：147-154[16]谭浩强.微机原理及其应用[M].北京:清华大学出版社，2002年:47-52[17]胡文金，钟秉翔,杨健.单片机应用实训教程[M].重庆:重庆大学出版社,2005年[19]沙占友.新型数字电压表原理与应用[M].北京:北机械工业出版社,2006年[20]刘金贵.C2051单片机在智能数字电压表中的应用[J].仪表技术，2005，5：22-44[21]包婉贞.单片机在智能数字电压表中的应用[J].河海大学学报，2002，9：74-76[22]张占松蔡宣三《开关电源的原理与设计》（修订版）北京：电子工业出版社.2004[23]张占松《高频开关稳压电源》（第一版）广州：广州科技出版社.1992