工程實踐與科技創(chuàng)新[3A]-第67組(李風(fēng)怡)設(shè)計報告(任務(wù)一)

1、姓名班級學(xué)號具體負責(zé)的工作聯(lián)系方式摘 要：這篇報告主要闡述了基于TL494的降壓型DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計，介紹了單片機MSP430對電源進行監(jiān)控和均流控制的實現(xiàn)過程。本報告包括了主要功能、設(shè)計指標(biāo)、電路參數(shù)的選取、硬件的工作原理和軟件的編程思想、系統(tǒng)測試結(jié)果、使用說明、實驗心得、實物照片和實驗中遇到的問題等。關(guān)鍵詞：DC-DC開關(guān)電源，并聯(lián)均流，MSP430單片機，A/D轉(zhuǎn)換ABSTRACT:This report focuses on the design scheme of switch mode DC-DC power supply based on TL494, and introd

2、uces the realization of current control based on MSP430. This report includes the main function, design specifications, circuit parameters, the basic principle of the hardware and software programming, the results of test, instructions, experience, photographs and problems encountered in the experim

3、ent.KEYWORDS:DC-DC switch power supply, MSP430 microcontroller, paralleled flow equalize, A/D convertor上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院地 址：東川路800號郵 編：200240目錄1. 概述11.1 編寫說明11.2 名詞定義11.3 硬件開發(fā)環(huán)境11.4 軟件開發(fā)環(huán)境11.5 縮略語22. 系統(tǒng)總述32.1 系統(tǒng)組成32.2 系統(tǒng)的主要功能32.2.1 DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓源模塊32.2.2 DC-DC開關(guān)穩(wěn)流源模塊42.2.3 單片機MSP430小系統(tǒng)精密均流調(diào)整模塊43. DC-DC

4、開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計53.1 主要功能和設(shè)計指標(biāo)253.1.1 主要功能53.1.2 設(shè)計指標(biāo)53.2 設(shè)計方案概述63.3 設(shè)計方案中要點說明73.3.1 元件參數(shù)選取73.3.2 芯片使用說明103.4 調(diào)試過程說明114. DC-DC開關(guān)穩(wěn)流電源模塊的設(shè)計134.1 主要功能和設(shè)計指標(biāo)2134.1.1 主要功能134.1.2 設(shè)計指標(biāo)134.2 設(shè)計方案概述144.3 設(shè)計方案中要點說明144.3.1 元件參數(shù)選取144.4 調(diào)試過程說明165. 用單片機控制DC-DC開關(guān)電源輸出電壓175.1 單片機控制系統(tǒng)整體方案175.1.1 主要功能和設(shè)計指標(biāo)175.1.2 基本設(shè)計原理185

5、.2 單片機控制系統(tǒng)的硬件電路185.2.1 單片機硬件資源說明185.2.2 DAC7411介紹195.2.3 硬件系統(tǒng)205.3 單片機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計215.3.1 功能概述215.3.2 程序流程圖216. 致謝227. 參考文獻238. 附錄A 系統(tǒng)操作說明書249. 附錄2測試與分析269.1 檢測項目和方法269.1.1 DC-DC穩(wěn)壓電源模塊單體基本技術(shù)指標(biāo)269.1.2 穩(wěn)壓、穩(wěn)流雙模塊合體輸出的技術(shù)指標(biāo)269.1.3 制作工藝和人機界面（總評時按一定規(guī)則折算）279.1.4 其它功能或指標(biāo)289.2 測試的資源289.3 測試結(jié)果及分析289.3.1 DC-DC穩(wěn)壓電源模

6、塊單體測試結(jié)果289.3.2 穩(wěn)壓、穩(wěn)流雙模塊合體輸出測試結(jié)果 （負載均衡度）299.3.3 對任務(wù)一（MSP430單片機控制）2910. 附錄C 課程學(xué)習(xí)心得和意見建議3011. 附錄D 軟件程序清單31第34頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院1. 概述1.1 編寫說明此報告為上海交通大學(xué)2014級電子信息與電氣工程學(xué)院電子系針對工程實踐與科技創(chuàng)新【3A】的實驗報告。報告中詳細闡述了關(guān)于降壓型DC-DC開關(guān)電源以及其控制系統(tǒng)一整套的設(shè)計流程，包括硬件電路設(shè)計、單片機軟件設(shè)計、開發(fā)環(huán)境、功能指標(biāo)以及調(diào)試和測試方法。在報告中，我們也針對實驗中遇到的各種問題做了相關(guān)探討和解決方法的說明，并表

7、述了我們的心得體會。本文的適讀對象為電子電路相關(guān)專業(yè)人士以及有一定基礎(chǔ)的業(yè)余電子設(shè)計愛好者。1.2 名詞定義開關(guān)式穩(wěn)壓電源：采用開關(guān)三極管控制的直流穩(wěn)壓電源，可通過占空比的調(diào)節(jié)控制電壓輸出。（本實驗中使用TL494輸出的PWM波控制開關(guān)占空比。）降壓型DC-DC開關(guān)電源：通過芯片控制實現(xiàn)高電流電輸入轉(zhuǎn)化為低電流電輸出的系統(tǒng)。（直流到直流的降壓變換。）單片機小系統(tǒng)：由單片機和相應(yīng)的外圍電路組成的一個小系統(tǒng)，可以通過輸入端口從PC機上下載程序控制系統(tǒng)的工作。占空比：在一串理想的脈沖序列中，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖周期的比值。脈沖寬度調(diào)制：一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用

8、，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。紋波：紋波是由于直流穩(wěn)定電源的電壓波動而造成的一種現(xiàn)象，因為直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。1.3 硬件開發(fā)環(huán)境表1-1 硬件開發(fā)環(huán)境開發(fā)設(shè)備及工具運行環(huán)境個數(shù)直流穩(wěn)壓電源220V交流電一臺示波器220V交流電一臺萬能表220V交流電一臺電烙鐵220V交流電一臺1.4 軟件開發(fā)環(huán)境表1-2 軟件開發(fā)環(huán)境開發(fā)工具運行環(huán)境功能Code Composer Studio v5Window 10編寫單片機程序，調(diào)試并下載到單片機系

9、統(tǒng)1.5 縮略語DC (direct current): 直流PWM (Pulse-Width Modulation): 脈沖寬度調(diào)制ADC (analog digital convert): 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換DAC (digital analog convert): 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換ccs (code composer studio): 一種集成開發(fā)環(huán)境2. 系統(tǒng)總述2.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)是DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓/穩(wěn)流源并聯(lián)供電系統(tǒng)，圖2-1為本系統(tǒng)的組成框圖。本系統(tǒng)可以分成三個模塊，即DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓源模塊（下簡稱穩(wěn)壓源模塊），DC-DC開關(guān)穩(wěn)流源模塊（下簡稱穩(wěn)流源模塊）和單片機MSP430小系統(tǒng)精

10、密均流調(diào)整模塊。穩(wěn)壓源模塊和穩(wěn)流源模塊分別可以獨立工作。當(dāng)這兩個模塊聯(lián)合后并聯(lián)輸出，整體成為一個穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，以提供比單個模塊更大的總輸出功率。并聯(lián)工作時，穩(wěn)壓源模塊作為主（控制）模塊，穩(wěn)流源模塊作為從（受控）模塊，從模塊輸出電流跟隨主模塊輸出電流的變化而變化，單片機MSP430小系統(tǒng)精密均流調(diào)整模塊對兩個電源模塊的輸出電流進行實時監(jiān)控和動態(tài)精密均流調(diào)整。圖2-1 系統(tǒng)組成框圖12.2 系統(tǒng)的主要功能2.2.1 DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓源模塊DC-DC開關(guān)式穩(wěn)壓電源模塊基于TL494，可適配直流輸入電壓10-20V，其直流輸出電壓為5V，內(nèi)部有輸出電流采樣傳感部件，模塊自帶輸出限流保護功能，并能把電

11、流采樣傳感信號經(jīng)放大后輸出。其有兩種工作模式即單獨工作模式和并聯(lián)工作模式。在單獨工作模式下能對不同的輸入電壓進行調(diào)整；能在空載、滿載、過載條件下工作；具有較高電源轉(zhuǎn)換效率和較小輸出紋波。在并聯(lián)工作模式下作為主控模塊，經(jīng)過單片機精密均流調(diào)整后控制穩(wěn)流源的輸出電流，使得兩模塊輸出平穩(wěn)。2.2.2 DC-DC開關(guān)穩(wěn)流源模塊DC-DC開關(guān)式穩(wěn)流電源模塊基于TL494，可適配直流輸入電壓10-20V，其直流輸出電流穩(wěn)定在一個設(shè)定值，該設(shè)定值可在指定范圍內(nèi)選擇設(shè)置（通過外部輸入的穩(wěn)流參考信號設(shè)置）。模塊內(nèi)部有輸出電流采樣傳感部件，模塊自帶輸出限壓保護功能，并能把電流采樣傳感信號經(jīng)放大后輸出。其有兩種工作模

12、式即單獨工作模式和并聯(lián)工作模式。在單獨工作模式下輸出默認直流電流為0.8A；空載時默認進入過壓保護狀態(tài)，可以在滿載、過載條件下工作；具有較高電源轉(zhuǎn)換效率和較小輸出紋波。在并聯(lián)工作模式下作為受控模塊，經(jīng)過單片機精密均流調(diào)整后輸出電流收穩(wěn)壓源控制和調(diào)節(jié)，使得兩模塊輸出平穩(wěn)。2.2.3 單片機MSP430小系統(tǒng)精密均流調(diào)整模塊該模塊在穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源并聯(lián)工作時使用，使用MSP430單片機和DAC電路，對穩(wěn)壓源模塊和穩(wěn)流源模塊采樣、計算、比較、控制，實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)壓源穩(wěn)流源電流相等。3. DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計3.1 主要功能和設(shè)計指標(biāo)23.1.1 主要功能該模塊的核心器件是TL494，能在直

13、流輸入電壓10-20V下穩(wěn)定輸出直流電壓5V。模塊內(nèi)部包含輸出電流采樣傳感部件，可以完成限流保護功能，并能把電流采樣傳感信號經(jīng)放大后輸出。3.1.2 設(shè)計指標(biāo)（1）輸入電壓：可適配直流10-20V；（2）額定輸出電壓：直流5V；（3）電壓絕對精度：5V5%；（4）電壓調(diào)整率：輸入電壓變化引起的輸出電壓變化； （合格）（5）負載調(diào)整率：負載變化引起的輸出電壓變化； （合格）（6）輸出電壓紋波：不大于175mVp-p（合格）；（7）額定輸出電流： 1A；（8）輸出限流值： 1.1A5%；（9）電源變換效率（滿載）： 60% （合格）；（10）空載時輸出端應(yīng)能正常測得電壓。3.2 設(shè)計方案概述本穩(wěn)壓

14、源模塊完成穩(wěn)壓功能部分如圖3-1所示，其核心元件TL494能產(chǎn)生PWM波控制開關(guān)三極管的通斷。TL494將輸出端的電壓與自己內(nèi)部的5V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓進行比較，根據(jù)結(jié)果改變PWM波的占空比，從而改變開關(guān)三極管的狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)三極管導(dǎo)通時，電源給電感充電；當(dāng)三極管截止時，電感放電。這樣形成一個反饋機制能夠使得輸出端電壓穩(wěn)定在5V。圖3-1穩(wěn)壓源模塊穩(wěn)壓部分示意圖1為了完成限流保護功能，在圖3-1的基礎(chǔ)上要加上一個以差分放大器為核心的過流檢測電路。TL494將差分放大器得到的采樣電阻兩端的電平大小與一個經(jīng)過電阻分壓之后的設(shè)定電壓值進行比較，根據(jù)結(jié)果改變PWM波的占空比，從而使得輸出端電流不超過設(shè)定值，從

15、而可以完成限流保護。此外還要添加一個假負載，這樣既能保證空載也能正常工作，又能保護外部負載。完善了這些功能的穩(wěn)壓源模塊電路基本結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2穩(wěn)壓源模塊基本結(jié)構(gòu)示意圖1在穩(wěn)壓源模塊的電路板上還安裝有DAC7611芯片，在單片機控制下，DAC7611負責(zé)輸出一個帶有均流控制信息的電壓，來控制穩(wěn)壓源的輸出電壓。電路的完整設(shè)計見圖3-3.圖3-3穩(wěn)壓源模塊完整電路圖13.3 設(shè)計方案中要點說明3.3.1 元件參數(shù)選取本模塊老師已經(jīng)提供了電路圖，其中大部分元件的值已經(jīng)給出，其中部分元件需要經(jīng)過理論計算和調(diào)試才能確定取值。下針對幾個元件參數(shù)選取進行說明。（1）TL494芯片時鐘振蕩部分TL4

16、94芯片產(chǎn)生的PWM波的頻率是由一個RC振蕩電路來確定的，該電路見圖3-4，其中R10和C10的取值我們一開始取1000和0.01uf，系統(tǒng)可以正常工作。在后期調(diào)試的時候，為了調(diào)小輸出紋波幅度，我們打算將R10增大到1500。但是又考慮，PWM頻率設(shè)置不合適的話有燒壞三極管的風(fēng)險，因而最后沒有改動。最終的系統(tǒng)振蕩頻率為15.9KHz。圖3-4 穩(wěn)壓源TL494時鐘振蕩電路（2）開關(guān)三極管的偏置電阻部分開關(guān)三極管的導(dǎo)通和截止的狀態(tài)由其基極電壓所決定?；鶚O電壓十分重要，它主要是PWM波信號經(jīng)由R1和R2分壓后來決定，見圖3-5。在三極管導(dǎo)通狀態(tài)下，基極電壓能夠控制三極管的導(dǎo)通飽和深度和開關(guān)轉(zhuǎn)換效率

17、，當(dāng)增大R1時，三極管飽和導(dǎo)通深度降低，開關(guān)轉(zhuǎn)換速率降低，從而能夠減小紋波，但是會使得效率降低。課程講義上TL494 Datasheet提供的參考電路中，開關(guān)三極管的兩個偏置電阻取的是150和47，一開始我們保持R1：R2為3不變，取R1為300、R2為100。在進行調(diào)試的時候，我們?yōu)榱藴p小紋波幅度，選擇減小R2的取值，最終取R1為300、R2為51。圖3-5 開關(guān)三極管偏置電阻電路（3）TL494的ErrAMP1 外圍電路部分3穩(wěn)壓源中 TL494 的ErrAMP1 外圍電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖 3-6所示。其中+5Vref 來自 TL494 內(nèi)置電壓基準(zhǔn)源，Vout表示電源模塊的輸出電壓。圖中運

18、放表示TL494 內(nèi)置誤差放大器1（ErrAMP1）。這個電路的主要作用是控制輸出電壓在一定范圍內(nèi)。根據(jù)老師提供的參考材料，要達到設(shè)計精度要求，這個放大器的放大倍數(shù)要足夠大，增益要近似為200 。考慮在工程上實現(xiàn)方便，在這里我們?nèi)7為2M，R8為10K。圖3-6 穩(wěn)壓源的ErrAMP1電路（4）過流保護電路部分過流保護電路主要功能是設(shè)定電路限流值，當(dāng)輸出電流過限時開啟限流保護，電路如圖3-7所示。設(shè)定輸出限流值為1.1A，那么ErrAMP2的EA1-端的電壓值為1V，因而理論上R9：R23應(yīng)為4：1的關(guān)系。我們一開始取R9為390，R23為100。而在調(diào)試的時候我們發(fā)現(xiàn)輸出限流值過小，在外接

19、3負載時，負載兩端電壓小于3.1V。所以我們減小了R9的值，最后R9取值為205。圖3-6 穩(wěn)壓源過流保護電路 最后所有電路元件的參數(shù)取值見下表3-1表3-1穩(wěn)壓源元件參數(shù)表元件參數(shù)大小元件參數(shù)大小元件參數(shù)大小元件參數(shù)大小R1300R131000R23100C5100ufR251R141000R2410KC70.1ufR30.1R1510KR25200C833nfR410R1610KU178L07C933nfR510R1751KU2TL494C100.01ufR610KR1810KU3LM358C110.1ufR72MR1910KC1470ufC120.1ufR810kR2010KC20.1u

20、fR9205R2110KC3470ufR101000R2210KC4470uf3.3.2 芯片使用說明 TL494芯片1TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它集成了全部的脈寬調(diào)制電路，且包含開關(guān)電源控制所需的全部功能。 在穩(wěn)壓源電路中，它主要有三個作用：輸出5V標(biāo)準(zhǔn)電壓、輸出PWM波并根據(jù)采樣電壓改變PWM波占空比、輸出限流。該芯片的主要特征4為（1）集成了全部的脈寬調(diào)制電路；（2）片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容）；（3）內(nèi)置誤差放大器；（4）內(nèi)置5V參考基準(zhǔn)電壓源；（5）可調(diào)整死區(qū)時間；（6）內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動能力；（7）推或

21、拉兩種輸出方式；芯片的內(nèi)部框圖如圖3-7所示。其中OUTPUTCTRL部分適配兩種不同模式Push-Pull或者Single-ended/Parallel，本課程實驗方案使用Single-ended/Parallel工作模式。做“控制”總是需要一個合適的工作節(jié)奏，所以O(shè)scillator當(dāng)節(jié)奏時鐘。Reference Regulator和管腳14、15作用是基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生(管腳14輸出5V)。Error Amplifier 1完成限壓功能。輸出電壓的采樣值從1IN+進入，此時1IN-為5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，用比較器電路檢查被控電壓是偏大還是偏小。偏大時，放大器輸出端對V3充電，使得V3電壓升高；當(dāng)偏小時

22、，V3通過恒流源放電，電壓下降。V3的值影響PWM比較器的判決門限，從而會改變PWM波的占空比。PWM波控制開關(guān)二極管的通斷，使得電感不斷重復(fù)充放電過程，使得輸出電壓穩(wěn)定且紋波幅度較小。Error Amplifier 1，2IN+對輸出電流進行采樣，2IN-為參考電壓。Dead-Time Control Comparator引入 2 種關(guān)斷條件:（1）防止開關(guān)管常開 通過儲能電感的須是交流電流，否則電感退化為短路導(dǎo)線。所以，在1個開關(guān)周期里保證至少有Dead-Time時間是關(guān)斷的。（2）輸出過流保護輸出電流超過限定值后，通過降低輸出電壓實現(xiàn)限流輸出。圖3-7TL494內(nèi)部框圖 7

23、8L05穩(wěn)壓器478L05是一種固定電壓(5V)三端集成穩(wěn)壓器，其適用于很多應(yīng)用場合，例如牽涉到單點穩(wěn)壓場合需要限制噪聲和解決分布問題的在-卡調(diào)節(jié)。此外它們還可以和其它功率轉(zhuǎn)移器件一起構(gòu)成大電流的穩(wěn)壓電源，如可驅(qū)動輸出電流高達100毫安的穩(wěn)壓器。其卓越的內(nèi)部電流限制和熱關(guān)斷特性使之特別適用于過載的情況。當(dāng)用于替代傳統(tǒng)的齊納二極管-電阻組的時候，其輸出阻抗得到有效的改善，其偏置電流大大減少。3.4 調(diào)試過程說明在剛剛焊接好電路進行測試時，我們的結(jié)果在負載調(diào)整率、輸出限流值和輸出紋波三個方面不是很達標(biāo)。針對這三個問題，我們對電路進行了調(diào)整。關(guān)于負載調(diào)整率，我們在助教的指導(dǎo)下在板子背面飛了一根從J5

24、到負載的線，如圖3-8所示，并且調(diào)整了自制的水泥電阻負載的導(dǎo)線長度，最后解決了這個問題。關(guān)于輸出限流值，我們調(diào)整了電阻R9的值為205，并且調(diào)整了自制的水泥電阻負載的導(dǎo)線長度，最后解決了這個問題。圖3-8 穩(wěn)壓源飛線示意圖關(guān)于輸出紋波，我們做了一系列調(diào)整。首先，我們觀察我們的紋波圖線（見圖3-9），發(fā)現(xiàn)尖刺過長，這可能是電感磁飽和的緣故。因而我們減少了電感線圈匝數(shù)。接著我們選擇降低開關(guān)管飽和導(dǎo)通的深度，減小了R2的取值，有效了壓制開關(guān)瞬間噪聲，從而使得紋波幅度降到了40mV下。但是這樣的負面結(jié)果就是會使開關(guān)管功耗上升，系統(tǒng)效率下降，因而我們最后系統(tǒng)效率結(jié)果不是很好，這一對矛盾，我們最后沒有平衡

25、到最好，這是一點不足之處。圖3-9 調(diào)試過程中的輸出紋波圖4. DC-DC開關(guān)穩(wěn)流電源模塊的設(shè)計4.1 主要功能和設(shè)計指標(biāo)24.1.1 主要功能該模塊的核心器件是TL494，能在直流輸入電壓10-20V下穩(wěn)定輸出直流電流（單獨工作時默認0.8A）。輸出電流設(shè)定值可在指定范圍內(nèi)選擇設(shè)置（通過外部輸入的穩(wěn)流參考信號設(shè)置）。模塊內(nèi)部有輸出電流采樣傳感部件，具有輸出限壓保護功能，并能把電流采樣傳感信號經(jīng)放大后輸出。4.1.2 設(shè)計指標(biāo)（1）輸入電壓：可適配直流10-20V（2）輸出電流：直流0.31.0A可調(diào)，默認0.8A（3）負載調(diào)整率：負載變化引起的輸出電流變化 （合格）（4）輸出電壓紋波：不大于

26、100mVp-p（5）額定輸出電壓： 5.1V（6）輸出限壓值： 5.5V5%（7）電源變換效率（滿載）： 60% （8）空載時，能按常規(guī)自動進入輸出限壓保護狀態(tài)4.2 設(shè)計方案概述本穩(wěn)流源模塊設(shè)計原理與穩(wěn)壓源模塊相同，電路上的不同之處在于，TL494的差分放大電路的輸入端改成了流經(jīng)采樣電阻輸出電流放大后得到的電壓值與輸出默認電流對應(yīng)的電壓值進行比較，從而確定開關(guān)三極管的截止與導(dǎo)通，完成穩(wěn)流輸出功能。穩(wěn)壓源模塊的電路圖如圖4-1所示，我們小組是完成任務(wù)一，即在穩(wěn)壓源的電路板基礎(chǔ)上進行改線得到穩(wěn)流板。圖4-1 穩(wěn)流源電路圖4.3 設(shè)計方案中要點說明4.3.1 元件參數(shù)選取本模塊老師已經(jīng)提供了電路

27、圖，其中大部分元件的值已經(jīng)給出，其中部分元件需要經(jīng)過理論計算和調(diào)試才能確定取值。下針對幾個元件參數(shù)選取進行說明。（1）TL494芯片時鐘振蕩部分TL494芯片產(chǎn)生的PWM波的頻率是由一個RC振蕩電路來確定的，該電路見圖4-2，其中R15和C11的取值同穩(wěn)流源模塊，分別為1000和0.01uf。圖4-2 穩(wěn)流源TL494時鐘振蕩電路（2）開關(guān)三極管的偏置電阻部分開關(guān)三極管的導(dǎo)通和截止的狀態(tài)由其基極電壓所決定?；鶚O電壓十分重要，它主要是PWM波信號經(jīng)由R1和R2分壓后來決定，見圖4-3。此處參數(shù)取值同穩(wěn)壓源模塊，取R1為300、R2為51。圖4-3 開關(guān)三極管偏置電阻電路（3）TL494的ErrA

28、MP1 外圍電路部分3穩(wěn)流源中TL494 的ErrAMP1 外圍電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖 4-4所示。其中+5 V ref 來自 TL494 內(nèi)置電壓基準(zhǔn)源，Vt表示電源模塊的輸出電流經(jīng)過采樣電阻（0.1）形成的端壓經(jīng)放大后的電壓信號。根據(jù)老師提供的參考材料，與穩(wěn)壓源部分分析相似，誤差放大器增益也可以定為200左右。因為我們的輸出電流默認值為0.8A，所以我們經(jīng)過反復(fù)調(diào)整后確認取R13為2M，R19為5.1K，R20為1K。圖4-4 穩(wěn)流源的ErrAMP1電路（4）過壓保護電路部分穩(wěn)流源過壓保護電路如圖4-5所示，在這里不斷調(diào)整之后，我們?nèi)∠迚褐禐?.7V，這樣一來，可以計算得到R14為1K，R17為

29、6.8K.圖4-5 穩(wěn)流源過壓保護電路4.4 調(diào)試過程說明因為在調(diào)試過程中可能要改動電阻的值，而從焊孔之中反復(fù)焊接拆去電阻會損害焊盤，所以在這里我們采用將電阻直接焊接在背面，方便調(diào)試，如圖4-6所示。圖 4-6 穩(wěn)流源電路板背面部分圖5. 用單片機控制DC-DC開關(guān)電源輸出電壓5.1 單片機控制系統(tǒng)整體方案5.1.1 主要功能和設(shè)計指標(biāo)為了將穩(wěn)壓電流源模塊和穩(wěn)壓電壓源模塊兩電路模塊合體并聯(lián)輸出，整體成為一個穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，以提供比單個模塊更大的總輸出功率，我們使用了如下電路結(jié)構(gòu)。圖5-1雙模塊合體并聯(lián)系統(tǒng)組成示意圖2其中，單片機小模塊的功能是對兩個電路模塊進行適當(dāng)?shù)目刂疲瑢蓚€電源模塊的輸出電流

30、進行實時監(jiān)控和動態(tài)精密的均流調(diào)整?？刂撇考饕蒑SP430單片機（小系統(tǒng)）和一個DAC轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。與沒有使用控制部件相比，使用單片機是均流精度明顯提高。最終，兩個電路模塊的輸出電流應(yīng)達到以下標(biāo)準(zhǔn)：負載大于額定負載70%時 （合格）過載（模塊限流輸出）時 （合格）圖5-2使用MSP430單片機充當(dāng)控制部件25.1.2 基本設(shè)計原理控制部件主要由以下三部分構(gòu)成：1（1） ADC部件（模數(shù)轉(zhuǎn)換）：負責(zé)檢測兩路電源模塊的輸出電流該部分使用MPS430內(nèi)置的兩路ADC實現(xiàn)。（2） DAC部件（數(shù)模轉(zhuǎn)換）：負責(zé)輸出一個控制信號，其電壓值帶有均流控制信息在MPS430單片機外部連接DAC芯片（安裝在穩(wěn)壓

31、源電路板上，DAC7611）。（3） 通過程序算法調(diào)動ADC和DAC成為一個完整測控系統(tǒng)使用MPS430單片機C語言代碼實現(xiàn)。MPS430代碼部分還控制實驗板上的兩個八段數(shù)碼管，使他們分別顯示穩(wěn)壓源模塊和穩(wěn)流源模塊的輸出電流。5.2 單片機控制系統(tǒng)的硬件電路5.2.1 單片機硬件資源說明MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)開發(fā)的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。在本實驗中，主要用到的硬件資源為輸入輸出端口、AD

32、C采樣模塊、以及通用定時器Timer_0和Timer_1模塊。下面列表說明在本課程中用到的單片機資源的使用情況：（1） 輸入、輸出端口表5-1 單片機輸入輸入資源使用管腳功能外接線路P1.0輸出DAC7611 LDP1.4輸出DAC7611 CLKP1.5輸出DAC7611 SDIP1.6輸入穩(wěn)壓源J1P1.7輸入穩(wěn)流源J1P2.4輸出DAC7611 CS（2） ADC資源ADC10包含的寄存器有：ADC10AE0、ADC10CTL0、ADC10CTL1、ADC10MEM、ADC10DTC0、ADC10DTC1、ADC10SA。本次實驗使用ADC控制寄存器ADC10CTL0、ADC10CTL1

33、，ADC輸入使能寄存器ADC10AE0，和結(jié)果裝換寄存器ADC10MEM。下面是這些寄存器的配置方式：表5-2 ADC10相關(guān)寄存器配置方式及功能說明4（3） 通用計時器模塊表5-3 單片機通用計時器使用說明計時器模塊功能說明Timer_0產(chǎn)生計時器周期5msTimer_0產(chǎn)生440Hz的PWM波形, P2.1管腳PWM輸出5.2.2 DAC7411介紹圖5-3 DAC7611封裝圖5DAC7611是一種12位串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器，可以把單片機控制的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成實際電路中的模擬信號。單片機通過對DAC7611的精密控制來控制穩(wěn)壓源的輸出電壓。重要的管腳為LD和SDI，其中LD管腳為控制信號轉(zhuǎn)

34、換的開關(guān)，SDI(serial data input)則為輸入的數(shù)字信號。表5-4 DAC7611管腳定義55.2.3 硬件系統(tǒng)穩(wěn)壓源J1和穩(wěn)流源J1端口輸出放大后的電流被單片機采樣接受，單片機控制輸出均流信號通過DAC芯片輸出到穩(wěn)壓源J2端口。穩(wěn)壓源的均流主控信號從J3傳遞到穩(wěn)流源的J2端口，從而實現(xiàn)雙模塊程控均流。圖5-4 系統(tǒng)連線圖15.3 單片機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.3.1 功能概述程序主要包括各部分資源初始化配置、采樣模塊、輸出模塊、中斷模塊、以及主函數(shù)模塊。主函數(shù)主要控制八段數(shù)碼管顯示當(dāng)前的穩(wěn)壓源以及穩(wěn)流源的輸出電流。定時器Timer_0控制中斷執(zhí)行的時間間隔，每5ms執(zhí)行一次中斷

35、服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行時，進行ADC采樣，讀取兩個電源模塊的輸出電壓值，與預(yù)期值進行比較，調(diào)整輸出PWM波的占空比。輸出產(chǎn)生的均流控制信號。5.3.2 程序流程圖圖5-5 程序流程圖46. 致謝感謝學(xué)校和老師為我們工科創(chuàng)3A提供了實驗硬件、實驗操作設(shè)備和實驗環(huán)境，讓我們能在良好的實驗環(huán)境下充分完成這次工科創(chuàng)項目。在工科創(chuàng)3A實驗初期，我們組對于實驗的目的還不是很清楚。感謝老師每周三開設(shè)的3A講座，為我們講述實驗各個方面的內(nèi)容，使我們基本了解了實驗的基本元件信息、實驗需要達成的目標(biāo)和具體的做法以及實驗中相關(guān)儀器的使用。在電路制作過程中，老師和助教一直都為我們提供支持和幫助。當(dāng)我們組在實驗過程

36、中遇到問題，通過思考與討論仍然無法解決問題時，值班的老師和助教都會給我們建議，幫助我們排除可能出現(xiàn)的故障和錯誤原因，引導(dǎo)我們憑借自己的腦子一步一步找出癥結(jié)所在。不僅幫助我們解決了問題，更是提高了我們對問題的分析能力和解決能力。為了及時回復(fù)同學(xué)們的問題，老師和助教都留下了聯(lián)系方式，更組建了微信群，方便大家在線上提問，更快地得到回答，也可以互相交流。實驗過程中遇到與實驗儀器相關(guān)的問題時，值班助教都會耐心地幫我們講解。為了給同學(xué)們提供充足的實驗時間，電群的實驗室通常開到晚上十點，就算是雙休日也會開放至晚上八點，這都要感謝學(xué)校的關(guān)心體諒和值班助教的理解陪同。除此之外，還應(yīng)感謝同在實驗室完成工科創(chuàng)任務(wù)的

37、同學(xué)們。在我們遇到實際困難，尤其是在對單片機代碼中的參數(shù)存疑，以及進行調(diào)試的時候，與同學(xué)進行討論，相互之間提出疑問、相互解答，往往會使我們加深對于電路部件和代碼參數(shù)的理解，為我們解決問題提供幫助。同樣感謝我們小組的每一位成員，正是大家的團結(jié)合作才有了這次工科創(chuàng)3A實踐的成功。感謝為此次實驗辛勤付出的每一個人。7. 參考文獻1 上海交大電子工程系. 工程實踐與科技創(chuàng)新3A講義EB/OL.48.2 上海交大電子工程系. 工程實踐與科技創(chuàng)新3A課程任務(wù)要求EB/OL.48.3 上海交大電子工程系. 課程實驗指導(dǎo)材料 TL494 之

38、ErrAMP1 外圍電路分析與設(shè)計EB/OL.48.4 工程實踐與科技創(chuàng)新3A.第62組盛愛國實驗報告DB/OL.5 德州儀器(TI).DAC7611R/OL.2012:8-128. 附錄A 系統(tǒng)操作說明書本系統(tǒng)使用杜邦線進行引腳間的連接，如圖8-1所示。其中穩(wěn)壓源板上的DAC7611系統(tǒng)接線說明如表8-1所示。運行時，八個數(shù)碼管分別顯示穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源輸出電流。圖8-1 系統(tǒng)整體實物圖表8-1 系統(tǒng)接線說明VDDVCCCSP2.4CLKP1.4SDI連P1.5DAC7611LDP1.0CLRVCCGNDGNDVout接穩(wěn)壓源J2P1.6穩(wěn)壓源J1P1.7穩(wěn)壓源

39、J1穩(wěn)流源J2穩(wěn)壓源J3實驗用板部分細節(jié)圖如圖8-2、圖8-3所示。圖8-2 穩(wěn)壓源板細節(jié)圖圖8-3 穩(wěn)流源板細節(jié)圖9. 附錄2測試與分析9.1 檢測項目和方法9.1.1 DC-DC穩(wěn)壓電源模塊單體基本技術(shù)指標(biāo)見表9-1。表9-1 DC-DC穩(wěn)壓電源模塊單體基本技術(shù)指標(biāo)（滿分40，總評時按一定規(guī)則折算）檢測項目檢測條件檢測方法評分規(guī)則輸出電壓絕對精度(5)Rload=5.1測量輸出電壓。4.755.25V，得2.5分；其他得0分。Rload= (空載)4.755.25V，得2.5分；其他得0分。輸出紋波(10)輸入20.0V0.1V；Rload=5.1；示波器探頭X10，示波器帶寬限制調(diào)為20

40、MHz示波器觀測交流紋波。小于等于40mVpp，得10分；小于等于60mVpp，大于40mVpp，得8分；小于等于80mVpp，大于60mVpp，得6分；小于等于100mVpp，大于80mVpp，得4分；小于等于120mVpp，大于100mVpp，得2分；其他，得0分。電壓調(diào)整率(2)Rload=5.1輸入從10V變化到20V輸出電壓約為5V，且變化小于0.01V，得2分；大于等于0.01V，小于等于0.025V，得1分；其他，得0分。負載調(diào)整率(2)輸入10.0V0.1VRload=5.1和10輸出電壓約為5V，且變化小于0.01V，得2分；大于等于0.01V，小于等于0.02V，得1分；其

41、他，得0分。電源轉(zhuǎn)換效率(18)輸入10.0V0.1V；Rload=5.1測量輸入電壓、輸入電流，輸出電壓（直接測量負載電阻引腳部位，排除長導(dǎo)線的電阻的影響），負載以5.1W計，計算效率。若效率大于80%，得18分；在60%至80%之間，得分計算公式（結(jié)果保留1位小數(shù)） 小于60%，得0分；輸出限流值(3)輸出10.0V0.1V；Rload=3測量輸出電壓3.13.5V，得3分；其他得0分。違規(guī)使用電位器目視檢查每使用一個電位器，扣3分。9.1.2 穩(wěn)壓、穩(wěn)流雙模塊合體輸出的技術(shù)指標(biāo)見表9-2。一旦開始測試，不得再人為調(diào)整電路或程控參數(shù)。表9-2 負載均衡度（滿分18，總評時按一定規(guī)則折算）檢

42、測項目檢測條件檢測方法評分規(guī)則85%額定負載時均衡度(7)Rload=3測量輸出電壓和兩路輸出電流。并聯(lián)輸出電壓應(yīng)在4.755.25V內(nèi)，均衡度小于等于1%，得7分；大于1%，小于等于5%，得6分；大于5%，小于等于10%，得5分；大于10%，小于等于15%，得3分；其他（含擺幅大于5%），得0分滿載時均衡度(7)Rload=5.1/5.1測量輸出電壓和兩路輸出電流。并聯(lián)輸出電壓應(yīng)在4.755.25V內(nèi)，均衡度小于等于1%，得7分；大于1%，小于等于5%，得6分；大于5%，小于等于10%，得5分；大于10%，小于等于15%，得3分；其他（含擺幅大于5%），得0分過載時均衡度(4)Rload=3

43、/3測量輸出電壓和兩路輸出電流。并聯(lián)輸出電壓應(yīng)在3.13.5V內(nèi)，均衡度小于等于5%，得4分；大于5%，小于等于10%，得3分；大于10%，小于等于20%，得2分；其他（含擺幅大于5%），得0分9.1.3 制作工藝和人機界面（總評時按一定規(guī)則折算） 對任務(wù)一不要求提供作品提供人機操作界面。9.1.4 其它功能或指標(biāo)測試時只記錄不評分，總評時酌情考慮加分。對任務(wù)一作品，若能較準(zhǔn)確地動態(tài)顯示兩路輸出電流讀數(shù)（必須以安培或毫安為單位，若數(shù)碼管位數(shù)不足，可翻屏輪流顯示），總評時酌情加分。9.2 測試的資源硬件資源：直流穩(wěn)壓源1臺，示波器1臺，數(shù)字萬用表1臺，電源線2根，示波器探頭1根。測試環(huán)境：電院群

44、樓4-105實驗室。9.3 測試結(jié)果及分析9.3.1 DC-DC穩(wěn)壓電源模塊單體測試結(jié)果見表9-3表9-3穩(wěn)壓電源模塊單體測試結(jié)果檢測項目檢測條件檢測方法或步驟記錄【評測官填寫】輸出電壓絕對精度(5)輸入10V，Rload=5.1測量輸出電壓輸出電壓= 4.911V，符合要求。輸入10V，Rload= (空載)輸出電壓=4.925V，符合要求。輸出紋波(10)輸入20V，Rload=5.1示波器探頭X10，示波器帶寬限制調(diào)為20MHz輸出紋波=40mVpp，符合要求。電壓調(diào)整率(2)Rload=5.1輸入從10V變化到20V變化前=4.911V變化后=4.914V，符合要求。負載調(diào)整率(2)輸

45、入10V，Rload=5.1測量輸出電壓輸出電壓=4.911V輸入10V，Rload=10輸出電壓=4.918V，符合要求。電源轉(zhuǎn)換效率(18)輸入10V，Rload=5.1測量輸入電壓、電流，負載電阻兩引腳上輸出電壓。輸入電壓=10V輸入電流=0.65A輸出電壓=4.918V輸出限流值(3)輸入10V，Rload=3測量輸出電壓輸出電壓=3.124V，符合要求。備注違規(guī)使用電位器 是（ ） 否（） 電源轉(zhuǎn)換效率為73.0%，基本符合要求。未違規(guī)使用電位器。9.3.2 穩(wěn)壓、穩(wěn)流雙模塊合體輸出測試結(jié)果 （負載均衡度）見表9-4表9-4穩(wěn)壓、穩(wěn)流雙模塊合體輸出測試結(jié)果檢測項目檢測條件檢測方法記錄

46、85%額定負載時均衡度(7)Rload=3(1)評測官接入Rload(2)測量輸出電壓和兩路輸出電流。輸出電壓=4.925V，符合要求。第一路0.1電阻端壓=74mV(最高： mV； 最低： mV)第二路0.1電阻端壓=74.5mV(最高： mV； 最低： mV)滿載時均衡度(7)Rload=5.1/5.1(1)評測官更換Rload(2)測量輸出電壓和兩路輸出電流。輸出電壓=4.79V，符合要求。第一路0.1電阻端壓=95.63mV(最高： mV； 最低： mV)第二路0.1電阻端壓=95.0mV(最高： mV； 最低： mV)過載時均衡度(4)Rload=3/3(1)評測官更換Rload(2

47、)測量兩路輸出電流。輸出電壓=3.569V，基本符合要求。第一路0.1電阻端壓=103.1mV(最高： mV； 最低： mV)第二路0.1電阻端壓=103.5mV(最高： mV； 最低： mV)計算得到85%額定負載時均衡度為0.67%，滿載時均衡度為0.66%，過載時均衡度為0.39%，符合要求。9.3.3 對任務(wù)一（MSP430單片機控制）數(shù)碼管顯示穩(wěn)壓源、穩(wěn)流源的輸出電流示數(shù)。10. 附錄C 課程學(xué)習(xí)心得和意見建議在3A的課程中，我們明顯感覺到了難度較2A而言提高了不少，有很多內(nèi)容都需要我們自己學(xué)習(xí)，老師沒有提供很多的資料，不是像以前一樣一步步指導(dǎo)我們。一開始我們對此不太適應(yīng)，不知道怎樣

48、著手工作，不過網(wǎng)絡(luò)給了我們豐富的學(xué)習(xí)機會，各類仿真軟件，各種別人寫的經(jīng)驗都讓我們學(xué)到了很多。在本次課程中，我們不僅學(xué)習(xí)了開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理，親手實踐制作了一個電源并使用C語言編寫單片機程序控制，還對硬件電路的調(diào)試過程以及單片機的寄存器資源使用有了更深的理解。我們非常開心在這學(xué)期有這個機會和同學(xué)一起在實驗室探索，自我學(xué)習(xí)，并且一起交流制作電源的經(jīng)驗。這門工程實踐課和其他理論課程最大的不同就在于我們要應(yīng)用已經(jīng)學(xué)到的知識，而不是只要理解老師說的話。在調(diào)試電路，編寫符合要求的程序時我們也遇到了不少困難，感謝很多同學(xué)的幫助，以及助教的耐心指導(dǎo)。在實驗的過程中，常常有一些誤差我們很難控制，常常稱之為“玄

49、學(xué)”。比如負載電阻溫度太高會造成紋波幅值變大，所以我們需要數(shù)據(jù)測著測著去把負載放在窗外“冰”一下。比如示波器探頭不好，結(jié)果波形亂七八糟等等。此外有個建議就是實驗室器材的精準(zhǔn)度參差不齊，有一些萬用表有些問題，希望老師能夠做出一些調(diào)整。11. 附錄D 軟件程序清單MPS430 代碼：/本程序時鐘采用內(nèi)部RC振蕩器。 DCO：8MHz,供CPU時鐘; SMCLK：1MHz,供定時器時鐘#include #include /-Constants-/#define V_T1s 200#define V_T100ms 20#define NUM_SAMPLE 50/-Variables-/unsigned

50、 int ADC_mod = 0;unsigned int ADC_currentCVNUM_SAMPLE;unsigned int ADC_currentCCNUM_SAMPLE;unsigned int ADC_ptrCV = 0;unsigned int ADC_ptrCC = 0;signed int ADC_data;unsigned long Volt = 0;unsigned long Current = 0;unsigned int CTR_OUT = 500;unsigned char clock1s = 0;unsigned char clock100ms = 0;unsi

51、gned char clock1s_flag = 0;unsigned char clock100ms_flag = 0;unsigned char led8 = 0,0,0,0,0,0,0,0;unsigned char digit8 = 0,0,0,0,0,0,0,0;unsigned char pnt = 0x00;unsigned char w = 0;/-Pin Definition-/#define CTL1_0L P1OUT &= BIT0/DAC7611 LD#define CTL1_0H P1OUT |= BIT0#define CTL1_1L P1OUT &= BIT1#d

52、efine CTL1_1H P1OUT |= BIT1#define CTL1_2L P1OUT &= BIT2#define CTL1_2H P1OUT |= BIT2#define CTL1_3L P1OUT &= BIT3#define CTL1_3H P1OUT |= BIT3#define CTL1_4L P1OUT &= BIT4/DAC7611 CLK#define CTL1_4H P1OUT |= BIT4#define CTL1_5L P1OUT &= BIT5/DAC7611 SDI#define CTL1_5H P1OUT |= BIT5#define CTL1_6L P1OUT &= BIT6/Voltage J1 IN #define CTL1_6H P1OUT |= BIT6#define CTL1_7L P1OUT &= BIT7/Current J1 IN#define CTL1_7H P1OUT |= BIT7#define CTL2_0L P2OUT &= BI