电子设计论文

选题：数控直流电流源组员：呼进国黄纪玮崔振科指导老师：袁有臣（青岛科技大学自动化与电子工程学院测控技术与仪器）摘要：本设计方案是在他激型推挽式开关电源的基础上，利用EasyARM1138单片机中的PWM发生器产生占空比不同的两组方波来实现电子开关的通断来控制直流电流源的输出电流范围，并通过电压采样电路反馈ARM1138并由其编程控制占空比，以确保输出电流稳定。制作了试验电路并对推导的稳态模型进行了仿真和验证，实测结果表明：基于双激式开关电源的数控直流电流源，具有输出功率大、电压纹波小、电压电流输出特性好等优点。关键词：开关电源；推挽；PWM发生器；占空比1.绪论电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，涉及了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。计算机和通讯技术的发展，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。普通电源由于精确度不高等缺点已不能满足现实的需要。直到单片机技术及电压转换模块的出现，才使精确数控电源的发展有了可能。本文所设计的数控电流源采用ARM1138单片机为核心部件，键盘、显示、D/A、A/D、推挽式开关电源等模块为外围电路。2.设计要求和总体设计思路2.1设计要求本设计要求：输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V；通过键盘控制输出电流，步进≤10mA；纹波电流≤2mA；自制电源。2.2数控直流源总体设计思路一、方案比较方案一：以可调直流稳压电源为基础，如图1所示。当R2固定时，可保证流过负载的电流恒定，通过调节R2的大小，即可以实现改变负载电流的目的。该方案可以输出较大的电流，但难于实现数控要求。方案二：采用基于运算放大器和晶体管构成的电流深度反馈电路。该方案在电路中引入了深度电流负反馈，因此可以保证输出电流具有很高的稳定性和线性度。电流源所需要的控制电压由D/A转换器提供，易实现输出电流的小步进调节。但此方案实现的硬件电路庞大复杂，该方案如图2所示。方案三：采用的电流源是推挽式开关电源，配合ARM1138单片机内部的脉宽调制电路（PWM电路）输出两组占空比不同的方波作为他激型推挽式开关电源的开关接通断开信号来控制开关电源的输出电压，在输出端对输出采样反馈到ARM1138并在ARM1138内部模拟比较器中与参考电压比较后经软件调整占空比等参数来实现输出的稳定从而确保输出的精度。此方案硬件电路简单，易于实现，并且精度较高，波纹电流小，输出功率大，该方案杀完结构组成原理框图如图3所示。D/A转换器带有电流负反馈的直流电流源Vc单片机输出Rl电源图2电流负反馈的直流电流源VinVoutRR2R1RlADJVin图1可调稳压管实现恒流源综上所述，可知采用推挽式开关电源比较容易实现，且精度较高，波纹系数小，故采用方案三。二、主要单元电路设计、分析及论证本数控直流电流源系统主要由数控模块部分、电流源模块部分和键盘显示电路等几部分组成。其中以数控模块和电流源模块为主要设计部分，其他模块要求不高，容易实现。1.数控模块数控模块可以采用传统的逻辑电路组成，如采用数字电路和FPGA门阵列等，也可以采用单片机系统。单片机系统具有灵活的接口和在线编程能力，容易实现体重有关键盘设置、显示以及测量功能等。考虑到电路中用到A/D、D/A转换，PWM发生器，模拟比较器等电路故采用以ARM®CortexTM-M3为核心的ARM1138单片机完成对整个电路的控制。2.电流源模块电源模块的选择考虑到电压纹波小、电压电流输出特性好等特点采用他激型推挽式开关电源。开关电源电路是由开关管(调整管)、变换器、取样电路、比较放大电路、基准电源和激励器组成的控制环路及保护电路组成,通过取样比较的控制环路来检测输出电压的变化,并以此控制调整元件进行调整,进而稳定输出电压,开关管(调整管)工作在开关状态.输出端多了一个变换器作滤波和续流之用.这是因为开关管输出的是矩形脉冲,必须加以平整,以免在电路中出现电流、电压跳变现象.开关管基极控制电压是矩形脉冲,故控制电路中取样比较取出的直流误差电压不能直接去控制开关管,而需将其转换为矩形脉冲,这就增加了直流矩形脉冲转换电路.通常有脉宽调制器和压控频率变换器两种形式。本设计中采用ARM1138中的PWM电路产生矩形脉冲来控制开关管。推挽式开关电源可以看成是有隔离功能的boost-buckDC-DC变换器。高频变压器磁芯被双向磁化，相同磁芯尺寸的推挽变换器，能够输出更大的功率。1.推挽式变压器开关电源工作原理：图2是他激型推挽式开关电源工作原理图：其中VD1、VD2为整流电路，C2为储能滤波电容，RL为负载电阻。此开关电源属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级绕组得到方波电压，经整流电路滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动，因为输出电路中都接有储能滤波电容，储能滤波电容会对输入脉动电压起到平滑的作用输出电压Uo都不会出现很高幅度的电压反冲电路的输出功率较大,波纹电压小。2.电路特性分析导通时段，开关管的基极驱动必须足够大，以使在整个电流范围内，都能够把每个初级半绕组的底端电压拉到等于开关管饱和导通压降，约为1V。因此，当任意一个开关管导通时，都提供给对应初级半绕组幅值为(Ui-1)的方波电压，考虑到输出整流二极管的正向压降Vd，整流二极管阴极的输出是一个导通时间为、幅值为[(Ui-1)(Ns/Np)-Vd]的平顶方波。这里Vd是整流二极管的正向压降，其值为0.7V。因为每半个周期（T/2）都有一个占空比为Ton的脉冲，所以整流二极管阴极输出脉冲的占空比为2Ton/T。图中LC滤波器的功能是提供一个值为方波平均值的直流输出，同时滤出方波中的波纹。故输出Uo的直流或平均电压为0210.7monipNTUUNT其中Nm次级绕组，Np主级主绕组波形图如下所示：在他激型推挽式开关电源电路中可能会存在的两个开关管的共态导通现象，如图3所示共态导通问题会产生共态导通脉冲给输出到来较大的误差，因此要避免两关的共态导通问题。一般解决共态导通的途径有主要有2种途径：1.采用软件延时时的方式:通过软件编程设定延时是输出的两组方波之间的相位相反，从而开关管的共态导通，本设计方案是在RAM1138中软件延时编程来避免共态导通现象。2.采用RC电路延迟导通来避免双管共态导通现象如图3-1所示用RC电路来延迟功率开关管导通。本推挽式开关电源模块的实际仿真图如下所示（ProtelDXP软件仿真结果）由实际仿真结果可知输出电压Uo值为10.2~10.3V范围内，比较稳定，误差范围为0.2V~0.3V，在所要求的范围内。3.键盘输入模块键盘输入也是由ARM1138单片机内部编程实现，通过ARM1138板子上的按钮KEY1、KEY2来实现增减输入功能，比较容易实现。3.结论本文研究了以他激型推挽式开关电源为基础，以EasyARM1138单片机为核心的数控直流电流源的设计，开关电源提供稳定的输出电流，在输出端对采样电阻进行采样经EaryARM的A/D转换后在内部模拟比较器中比较，形成反馈环路控制PWM电路的占空比，来改变输出电压的平均值，仿真及实测结果证明此方案的电压输出特性好，电压波纹小，输出功率大，而且电路结构简单，易于实现。