合肥学院第八届电子设计竞赛最终决赛报告 -

合肥学院第八届电子设计竞赛

HEFEI UNIVERSITY

合肥学院第八届电子设计竞赛设计报告

作品名称： 开关稳压电源（D题） 系 别： 电子信息与电气工程系 专 业： 10级电气信息类 小组成员： 李鹏涛 1005076017

余文成 1005076018 沈显风 1005076015

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开关稳压电源（D题）

摘要:

本设计的开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。本设计系统采用简单的Boost升压电路作为DC-DC变换器主电路。设计的关键是DC--DC变换器，它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件和控制模块，而控制模块的设计又是DC—DC的核心，我们使用PWM调制的专用芯片TL494来实现DC—DC变换的控制模块，通过调节占空因数使得输出电压在30V～36V范围内可调。主开关管采用IRF540；系统采用STC89C52单片机作为主控制器，通过A/D采样、键盘预置电压值以及D/A送给TL494形成闭环反馈回路；由单片机STC89C52控制LCD屏的显示，可显示预置电压，实测电压；另外，系统还增加了负载过流保护等实用功能。

关键词：STC89C52 DC-DC变换器 Boost升压 TL494 AD/DA LCD显示

Abstract: The design of the switching power supply comprises isolation transformer, rectifier and filter and DC - DC transformation network. This system uses a simple Boost booster circuit as the DC-DC converter main circuit. Design is the key to the DC to DC converter, it contains the switch in a switching power supply device, an energy storage device, a pulse transformer, filter, output rectifier and all other power device and a control module, and the control module design and DC - DC core, we use PWM modulation of the special chip to realize DC - TL494DC transform control module, by adjusting the duty cycle to make the output voltage from 30V to36V adjustable range. A master switch tube using IRF540; system adopts STC89C52chip as the main controller, through the A / D sampling, keyboard preset voltage value and D / A to TL494to form a closed loop feedback loop; by the MCU STC89C52 control LCD screen display, can display the preset voltage, the measured voltage; in addition, the system also increases the load overcurrent protection and utility function. Keywords: STC89C52 DC-DC converter Boost TL494 AD/DA LCD display

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1 引言

本系统主要由最小单片机系统，PWM信号控制芯片TL494，开关电源升压主回路，A/D以及D/A等模块组成。该系统以单片机STC89C52为核心，电压可预置，步进电压为1V，输出电压范围为30V到36V，输出电流为0-2A。系统采用矩阵键盘进行输入控制，采用LCD12864作为输出显示，可显示预置电压，实测电压，操作灵活，界面友好。同时单片机检测电流并实现过流保护，电流值正常后控制主电路恢复工作。本系统具有调整速度快，精度高，电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等优点。

1.1 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η≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； （7）具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A；

1.2 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）； （4）进一步提高效率，使η≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； （5）排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；

（6）能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。

（7）其他。

通过实际测试，作品的性能指标中，输出纹波完全达到了要求；基本部分的要求大体上都能够完成。

设计中控制部分使用51单片机来实现电压的调节显示与步进，开关电源部分以Boost升压斩波电路来实现DC-DC升压变换。系统能够实现输出电压30~36V可调，1V步进。电压调整率，负载调整率，输出纹波基本能达到要求，但是最大输出电流接近2A，输出效率接近70﹪，所以系统性能指标有待提高，以及过流保护能需要加强。

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2 系统设计

2.1 总体设计方案

2.1.1 设计思路

题目给出的框图如下图1所示。该方案是通过变压器降压，再经过整流电路、滤波电路得到直流电，再经过DC-DC升压变换控制电路，得到要求的直流电。要使电路能达到设计要求，DC-DC变换的关键是PWM控制。题目需要将直流电源转换成大于输入电压的稳定的输出电压。串联型稳压电路是降压型的电路，并联型稳压电路是升压型的电路。所以我们采用的并联型开关稳压，通过升压电路，能使得输出电压大于输入电压。通过调节占空比使输出电压为30V-36V可调。

开关稳压电源IINIOUIN隔离U1=220VAC变压器U2=18VAC整流滤波DC-DC变换器UORL 图1 系统设计方案 2.1.2 方案论证与选择 1、DC-DC主回路拓扑

方案一 间接直流变流电路：结构如下图2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2 间接直流变流电路

方案二 采用变压器升压的隔离型PWM直流－直流变换器电路：此电路效率较低，开关辐射/纹波较大，电路较复杂。

方案三 Boost升压斩波电路：拓扑结构如下图3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

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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=Uin/(1-D)，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。

图3 Boost升压斩波电路拓扑结构

综合比较，适合本系统的DC-DC拓扑结构为单端反激式DC-DC变换器，利用TL494芯片作为控制核心，该芯片抗电压波动能力强，并可使负载调整率得到明显改善，而且其频响特性好，稳定裕度大，过流限制特性好，具有过流保护功能。因此，采用我们采用第三种方案，即选用Boost升压斩波电路，且该电路使用的外部原件少、调试容易、成本低、效率高。 2、控制方法及实现方案 （1）DC-DC模块控制方案

方案一 利用单片机产生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。但是对单片机的工作速度要求比较高，需要运用到AVR系列等运行速度较快的单片机，系统调试比较复杂。

方案二 利用PWM专用芯片TL494产生PWM控制信号。此法外围器件少，PWM波形精确，性能良好，集成度高，功能较为固定，工作较稳定，较易实现，并且通过键盘可以实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案选择：由于我们接触到的单片机还只是51系列的单片机，运用单片机产生控制方波不容易实现，因此选择专用的控制芯片TL494。此芯片只需设置好外围电路，然后送入设置电压与反馈电压，就能够自动PWM波，来实现电压的调整。方案较容易实现，故选方案二。 （2）反馈控制方案

方案一：采用硬件反馈的方式。采样电压与基准在误差放大器中比较，产生直流电平改善输出PWM波的占空比以稳定输出电压，电路简单，容易实现，但由于硬件反馈灵敏，容易造成环路增益的不稳定，产生自激，输出纹波变大，效率下降。试验后发现，要想精确控制，调节困难。

ELVDC UORL - 5 -

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电流的变化量相等，可以得到如下结论：

（1）通过控制功率开关S的基极所加的驱动信号的占空比D，就可以克服由于输入交流电网电压或输入直流电压或其他参数的变化而引起的对开关稳压电源输出电压的影响，能够起到降低输出电压的波动，稳定输出电压的作用。实际电路采用由取样、放大、比较、反馈耦合等环节构成的闭环控制系统来实现对占空比D的控制，也就是所说的脉宽调制原理（PWM）。

（2）此电路的工作是依靠功率开关S基极的驱动信号使功率开关S启动、导通和关闭，而工作于导通和截止的功率转换状态中。这样我们可以在输出端或功率转换过程中加一取样电路，将输出的电流和输出的电压的变化量取出，再经过放大、处理和比较后，形成一个与输出的电流和输出的电压有关的，也就是能够自动控制和调节驱动信号占空比的驱动信号来控制和驱动功率开关管S的工作。

（3）在（2）的基础上，如果输出端或者负载电路出现短路而造成过流现象，或者由于其他原因造成输出端过压现象，施加于功率开关S基极的驱动信号便可以将功率开关S及时地关断，并使其处于截止状态，及时开关稳压电源停止工作。这样既保护了开关稳压电源电路本身免遭损坏，又保护了负载电路不被损坏。据此可以对电路进行过压、过流、过热等保护。

4.3 脉宽调制电路

DC-DC变换器为开关电源核心部分，脉宽调制电路即PWM模块则是DC-DC变换器中很重要的部分。此模块的工作状况直接影响开关电源的工作状态和性能指标。本次设计选用器件为TL494，其原理是通过反馈回来的电压与设定的电压进行比较，进而调节产生的PWM波，其中开关电源的工作频率由TL494的定时电容CT和定时电阻RT确定。其工作电路如下图8所示：

图8 脉宽调制电路

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4.4 供电模块电路

供电模块利用三端稳压片7815和7805分别为系统中的芯片TL494和单片机提供电源，其电路如下图9所示：

图9 供电模块电路

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5 软件设计

1、程序结构：本系统程序采用Keil uVision4软件编译，然后通过矩阵键盘来对电压进行改变和实现预置功能，步进为1V。 2、流程图：整个系统软件的流程图如下图10所示：

开始 12864、AD/DA初始化 N

是否有键按 Y 预置电压值

参数设置 步进减 清零 步进加

AD 采样 12864显示

结束

图10 主程序流程图

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6 测试方法与数据

6.1 测试方法

测试时按下图11进行连接：

IINAIOA电流表2V电压表2接触调压器U1=220VAC隔离变压器整流滤波电流表1DC-DCUINV变换器电压表1UORL

图11 测试连接图

测试输出电流电压时,采用最大阻值为100Ω的滑动变阻器:作为负载，在额定功率下，用数字万用表测量其电压电流值。

测试电压调整率时,在输出电流为2A的条件下，通过调节自耦调压器使输入电压从15V变到21V，在额定负载下，测量输出电压的变化,根据公式可求得电压调整率。

测试负载调整率时,在U2=18V的条件下，改变负载阻值使输出电流从0A变到2A，测量输出电压的变化。负载调整率就是输出电压的相对变化量与标准电压的比值。

测试输出噪声纹波电压峰-峰值时，在U2=18V,UO=36V,IO=2A条件下，利用模拟示波器观察输出波形。

测试DC-DC变换器的效率时，在隔离变压器输出为18V, 直流输出电压为36V、输出电流为2A的条件下，用数字万用表测量输入电压电流、输出电压电流，根据η＝(Uo?Io/Ui?Ii)╳100％,即可算出DC-DC变换器的效率。

6.2 测试仪器

测试使用的仪器设备如下表1所示： 序号 仪器名称型号、规格 1 2 3 4 5 6 模拟示波器GOS6051 数字万用表FLUKE111 KENWOOD CS-4125 示波器 TDGC2J接触调压器 滑动变阻器 智能计算器 主要技术指标 50MHz 4位 带宽20MHz ______ 100 ------ 表1 测试使用仪器与设备

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数量 1 4 1 1 1 合肥学院第八届电子设计竞赛

6.3 测试数据

6.3.1 输出电压范围测试

表2 输出电压范围测试（空载）

预置电压（V) 输出电压（V)

6.3.2 电压调整率测试

测试条件为输出电压36.00V，输出电流为2.00A。

表3 电压调整率测试 输入电压Vin（V） 15 18 21 输出电压Vout(V) 30.0 31.01 32.01 33.00 33．99 34.99 35.99 30 31 32 33 34 35 36 电压调整率为：S = ΔUout／Vout*100% (ΔUout为输出变化量) 6.3.3 负载调整率测试

表4 负载调整率测试 注：测试电压30V 输出电流（A） 输出电压（V) 0.5 29.83 1.0 29.73 1.5 29.69 2.0 29.63 负载调整率：SI＝6.3.4 噪声及纹波测试

实测Uo－Uo=0.93％

UoU2=18V，Uo=30V，Io=0.5A，示波器AC耦合，扫描速度20ms/div，Vpp≦500mV。 6.3.5 效率测试

U2=18.7 V， Iin=4.7A， Uo=36.1V ，Io=2.0A， 计算得效率为：?＝

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PoUoIo?=67％。 PinUinIin

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6.4 测试结果分析

6.4.1 误差分析

1、对效率等进行理论分析和计算时，采用的是器件参数的典型值，但实际器件的参数具有明显的离散性，电路性能很可能因此无法达到理论分析值。

2、电阻在温度上升时阻值会变小，使计算结果产生偏差。

3、整个电路板由手工焊接完成，其余器件在单面板上完成布局和布线，无法避免线路之间与外界的电磁干扰，从而导致一定的误差。电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。 6.4.1改进方法

1、使用性能更好的器件，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。

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7 总结

开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点而被广泛使用在各个行业和领域中。因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。本设计的开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。

本次我们设计Boost 开关稳压电源，系统的开关变换器的工作原理使用的是PWM（即脉宽调制法），这种方式中，电子开关按外加的控制脉冲信号而通断，与本身流过的电流、二端所加的电压无关。通过开关电源的设计，在进行硬件的验证和相关参数测试时中，我们遇到了很多问题，尤其是储能电感的选取。我们组不断查看资料，根据设计计算电感值，并且自制多个电感，在电路中无数次验证，目的是为了获得更好的效果。在调试过程中，为了测试参数烧坏了几个开光管，但方案越来越完善，效果越来越好。

由于时间紧张，任务较为繁重，本电源设计尚有不足之处，如最大输出电流达不到2A；由于单片机的IO口的限制，对电流的采样无法进行等。这些都是以后我们努力和改进的方向。其中还存在一些问题尚待解决，例如电压调整率，纹波和电流显示，I/O口不够用，我们会在以后的学习中继续改进这些方面。

经过四天三夜的努力，虽然我们很累，但是通过此次设计使得我们的专业知识都有了显著地提高，也对电源有了更加了解。本次设计综合运用了自动化技术、模拟电子技术等多种技术，我们从中受益匪浅，特别是方案的设计与论证，我们从中汲取了很多有用的经验，为以后的设计打下了坚实的基础。

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8 参考文献

[1]黄志伟.全国电子大学生电子设计竞赛.北京：电子工业出版社，2010 [2]陈永真.全国大学生电子设计竞赛试题精解选.北京：电子工业出版社，2009

[3]单片机应用技术 王静霞 电子工业出版社 2009.5 [4]电子仪器仪表设计 高吉祥 电子工业出版社 2007.8

[5]电子技术基础.模拟部分/康光华主编；华中科技大学电子技术课程组编.第五版 北京：高等教育出版社，2006.1

[6] 郭天祥 51单片机C语言教程．北京:电子工业出版社，2010年10月 [7] 谭浩强 C程序设计.北京:清华大学出版社，1991年

[8]单片微型计算机原理与应用 张毅坤 西安电子科技大学出版社 1998

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附录

附录1 基本器件清单

器件名 TL494 发光二极管 电阻 电阻 OP07 续流二极管 AD0832 开关管 单片机 显示器 排插 导线

规格 —— —— 10kΩ 1kΩ —— SR360 —— IRF540 AT89C52 12864 —— —— 数量（个） 1 1 5 若干 1 1 1 1 1 1 若干 若干 器件名 7805 7815 继电器 杜邦线 矩阵键盘 电位器 DA0804 电解电容 瓷片电容 排阻 变压器 保险丝 规格 —— —— —— —— —— 10kΩ —— 4700/1700 uF 104/103 10K 12V 8A 数量（个） 1 1 1 若干 1 3 1 若干 若干 若干 1 1 器 材 清 单

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附录2 总体电路图

总电路图：

图12 总电路图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yzrv.html