具有跟踪功能的开关电源报告

摘要本作品以单片机ATMEGA16作为系统控制核心，采用XL6012实现电源模块DC/DC的转换，单片机通过其内部AD、DA和外扩键盘对系统输入输出的电压电流进行实时采样和监测，并对输出电压程控调节。系统以1602字符型液晶作为输出器件，显示采样所得的输入输出的电压电流及功率。经测试，作品均达到设计要求。关键字：ATMEGA16、XL6012、AD、DA1、系统方案论证与选择本系统主要由DC-DC升降压电路、显示模块、运放控制电路模块，电流测量模块、单片机控制模块组成，其系统框图如下图2所示：图21.1DC-DC升降压芯片选取方案一：LM2596-ADJ是LM2596中可调输出电压的电源管理单片机集成电路，内部集成固定频率发生电路以及频率补偿电路，最大输出电流可达3A，具有功耗小（待机电流仅80μA）、效率高、过热保护和限流保护功能、很好的线性和负载调节、外围电路简单等特性。方案二：XL6012是一个升降压DC-DC转换器，输入电压范围为5V-48V，最大输出电流可达6A，开关频率180KHz，内置OCP、OTP等保护电路，内置软启动功能，效率可达94%。方案三：XL6009也是一个升降压DC-DC转换器，与XL6012的指标基本一致，而XL6012的电流、电压、效率都比XL6009略高。根据题目要求可知，RL=24欧，输入电压为15V，输出电压24V，整机效率η≥60%，计算得：输出电流为1A，输出功率Po=24W，从而求出输入功率为Pi=40W，可以计算出最大的输入电流为Iinmax=4A，XL6012的性能比XL6009和LM2596-ADJ还好，又满足题目要求，所以我们选用方案二。1.2显示模块的论证与选择方案一：用液晶1602作为显示器件，功耗较低，而且显示的内容比较丰富，可显示数字、字母、字符等。方案二：采用液晶12864作为显示器件，具备了方案二的功能，且可以显示汉字和图形，屏幕大效果好。但是相对LCD1602来说，功耗略大。经比较分析，LCD1602价格便宜，功耗低，故选取方案二。1.3单片机选择方案一：AVR单片机可靠性高、功能强大，高速度、低功耗、性价比高，操作简单，BASIC语言简单易学。可调直流稳压电源DC-DC运放控制输入电流测量输出电流测量单片机ADCDAADC负载方案二：由51单片机构成的主控电路，支持ISP下载技术，控制操作简单，价格低廉，通用性强。但编写程序有些复杂，加大编写难度。通过比较，AVR单片机更方便实现题目要求，而且操作简单，故选择方案二。2、电路设计2.1DC-DC升降压模块本模块以芯片XL6012为核心，制作输入电压可变，输出电压保持恒定不变的电路图如图一所示，输出电压的计算可由下式给出：，其中=1.25V。C2470uFC5105C4470uFC122uFR31KL133uHL34.7uHR220.05D2SR860R25503L233uHC6105C7474升降压DC-DC123JP4HEADER3C3470uFU2Vout112JP3HEADER2123JP5HEADER3跳冒运放控制运放控制输出1122334455XL6012U26012图一2.2输出电流检测电路输出电流采样电阻阻值为0.05Ω，采用ＩＮＡ１２２芯片对电流信号进行十倍精确放大，放大后输出电流通过1kΩ电阻接地，通过电位器对采样信号进行分压处理，处理后信号回输到ＩＮＡ１２２的4号管脚，形成闭环调节。电路设计如图二所示：1122334455667788INA122R2R51KR1RLR30.05R4203D1DIODEC122uFC2104U2Vout输出电流检测AD1图二２.３输入电流检测电路输出电流采样电阻阻值为0.05Ω，采用ＬＭ３５８芯片中两路放大器对电流信号进行２０倍或３９倍放大，放大后输出电流通过1kΩ电阻接地，通过电位器对采样信号进行分压处理，处理后信号回输到ＬＭ３５８的4号管脚，形成闭环调节，构成两路同相放大。电路设计如图三所示：32184U3ALM358567U3BLM358R1310KR1410KR1610KR1510KR26200KR27200KR230.05R30390KR31390KR40RLVin1AD1AD2输入电流检测（两路同相放大）图三运算放大器Ｕ３Ａ的放大倍数=231outinURUR=２０运算放大器Ｕ３Ｂ的放大倍数=231outinURUR=３９２.４运放控制输出电压模块采用LM358芯片中一路放大器做运放控制输出电压，其中放大倍数为一倍，运放的反相输入端接单片机，利用单片机自动控制运放的反相输入端的电压，从而能调整输出电压。321411U2ALM358+5-5R15100KR1710KR14100KR61KR16POT2DAC运放控制输出电压R51KD2DIODE12JP2HEADER212JP4HEADER2运放控制运放控制输出图四２.５ＡＤ采样对输入输出电压的采样，方法是对要采样的电压进行分压，使采样得到的电压不能出过单片机的工作电压范围２.７Ｖ－５.５Ｖ，因此，我们衰减的倍数是１３倍。原理图如图五所示：R3612KR61KC101nFAD3Vin3R3712KR71KC111nFAD4Vin4R3812KR81KC121nFAD5Vin5R3912KR91KC131nFAD6Vin6R3512KR51KC91nFAD2Vin2R3412KR41KC81nFAD1Vin1AD采样图五２.６电路原理图（见附录2）3、程序设计控制单片机采用ATMEGA16，是8位AVR微处理器。它具有高性能、低功耗的特点，应用先进的RISC结构，非易失性程序和数据存储器，具有独立锁定位的可选Boot代码区，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密等功能。它的外设具有两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC，六通道PWM，可编程的串行USART接口，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口。可以实现上电复位以及可编程的掉电检测，支持片内/外中断源。编程规则清晰易掌握，操作方法简便，是单片机编程的最佳备选之一。３.１程序总体流程图程序大体分为基本功能和扩展功能两部分，要求除负载电阻为手动调整以及发挥部分由手动设定直流稳压源电压和串联电阻Ｒｓ外，其他功能的测试过程均不允许手动干预，所以设以下程序流程（如图六）。上电初始化图六4、系统测试设定输出最小值测试输入电压处理比对数据，找出最大输出效率报警调高一级输出电压，存储ＰＷＭ值单片机调整ＰＷＭ输出值控制，输出最大效率判断输入电压是否小于３Ｖ判断输入电压是否改变判断输入电压是否小于３Ｖ否是是是是是否是否是是是4.1测试方案1、硬件测试：对不同的模块进行调试，再级联。2、硬件软件联调4.2测试仪器可调直流稳压电源、示波器、数字万用表、大功率变阻器4.3测试数据1、输出电压可调范围接入24欧的负载，输入直流电压为10～15V的任意值时，用数字电压表测输出电压范围。数据如表1所示：表1：次数12输入电压Us10V15V输出电压Uo1.2～24.1V1.25～24V2、整机效率接入24欧的负载，输入电压为15V，输出电压为24V时，实际测量并计算出整机效率。数据如表2所示：表2：实际测量值输入电压Us（V）输入电流Is（A）输入功率Ps（W）输出电压Uo（V）输出电流Io（A）输出功率Po（W）整机效率η（%）14.702.1131.01724.10.99824.051877.54%由测得的数据经计算得到整机效率为77.54%，符合要求。3、在2的基础上，用示波器观察并测出输出电压的纹波，实际测得的输出电压纹波为260mVpp。4.4测试分析与结论1.系统采样时间长，在DC/DC的变换方式中，逆变换向是需要时间的，输出电流越大需要时间越多，大电流输出能力也差。2.系统稳定性不够，在低压大电流输出时，它的纹波和噪声抑制能力受到限制。3.输入电流检测，将采样电流转换成电压来测量，并将其放大四十倍，四号管脚采样电阻的信号量可以通过给定的电流值串联电阻与反馈端并联，可以简化反馈电路。参考电流由PWM波经过电容电阻产生。4.发现低端采样出现AD转换不呈线性变化，究其原因，所接的地是一个平面，受到的外界干扰大，导致输出纹波大。5.电流变化速度很快，单片机的采样频率有限，不能及时跟上变化引起采样误差。6.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。7.电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。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。参考资料：[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京：高等教育出版社,2005.[2]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006.[3]INA122的芯片资料=vNE6K_k99KXbYvzi3uqJUgtNrrbbT2OR-UiGYHioQYtczkLiH2PvIeNP2vFY07EdZgWf63qOXrZPggjFLeX2nZj0lL-I1q49h8JB_UNJy0S[4]XL6012的芯片资料附录：附录1设计任务设计并制作如图所示的开关电源。图1电源框图1．基本要求设计制作一开关电源（1）当RL=24欧，输入直流电压为10～15V的任意值时，输出直流电压均可在5V～24V范围内可调；（2）当RL=24欧，输入电压为15V，输出电压为24V时，整机效率≥60%；（3）在满足第（2）条件时，输出电压纹波≤500mVpp；2．发挥部分如图1所示（a、b点左侧部分组委会提供）当RL=16欧，Us在8-30V变化，Rs在8-24欧变化时。（1）系统能够自动调整输出电压Uo，使得RL上能够获得最大输出功率；（2）当Us和Rs变化时，自动跟踪时间小于10S；（3）整机效率≥80%；（4）调整Us或Rs的值10秒后，输出电压纹波≤200mVpp；（5）数字显示开关电源的输入电压、输入电流、输入功率；数字显示开关电的输出电压、输出电流、输出功率。（6）其他。