直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)報(bào)告總結(jié)

1、直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)報(bào)告目錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 31.1. 任務(wù) 31.2 要求 41.2.1 基本要求 42. 設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì) 52.1. 直流穩(wěn)壓電源 52.1.1 電路方案選擇 52.1.2 元件參數(shù)分析 62.2. 直流穩(wěn)流電源 62.2.1 電路方案選擇 62.2.2 元件參數(shù)分析 82.3. DC-DC 變換電路 92.3.1 電路方案選擇 92.3.2 元件參數(shù)分析 102.4. MSP430F149 顯示采集電壓 112.4.1. 器件介紹 112.4.2 硬件設(shè)計(jì) 122.4.3 軟件設(shè)計(jì) 133. 仿真及分析 134. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析 155. 參考文獻(xiàn) 18摘要隨

2、著時(shí)代的發(fā)展， 人們對(duì)生活生產(chǎn)的需求日益增加， 在物聯(lián)網(wǎng)， 大數(shù)據(jù)的背 景下，智能化產(chǎn)品出現(xiàn)。電源的智能化，必將引起新的變革，當(dāng)今電源技術(shù)融合 了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊 技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命， 給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景， 同 時(shí)也給電源提出了更高的要求。 隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用， 普通電 源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差， 會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。 本設(shè)計(jì)分別用串聯(lián)型線性穩(wěn) 壓電路，串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)流電路和反饋式逆變電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源， 運(yùn)用放大和 反饋電路直流穩(wěn)流電源和DC-DC升壓變換器。通過相關(guān)知識(shí)計(jì)算出各電路中各個(gè) 器件的

3、參數(shù)， 使電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的電壓調(diào)整率， 電流調(diào)整率， 負(fù)載調(diào)整 率，紋波電壓等各項(xiàng)指標(biāo)。在通過TI公司推出的超低功耗 MSP43系列單片機(jī)顯 示設(shè)計(jì)電源輸出電壓，讓設(shè)計(jì)更加智能化。關(guān)鍵詞：電源；穩(wěn)壓電路；穩(wěn)流電路； DC-DC；MSP430 單片機(jī)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1. 任務(wù)設(shè)計(jì)并制作直流變換為直流的高效穩(wěn)定電源， 該穩(wěn)定電源具有穩(wěn)壓和穩(wěn)流功 能，電路圖如圖。圖1電源框圖1.2要求 基本要求（1）穩(wěn)壓電源a. 穩(wěn)壓電源在輸入電壓 UI=1316V,輸出電壓U0可調(diào)范圍為+5V+12Vb. 最大輸出電流I0=1.5Ac. 電壓調(diào)整率W 0.5% （輸出電流為1A,輸入U(xiǎn)I=1316

4、V條件下）d. 負(fù)載調(diào)整率W 1%（在輸入電壓為15V,輸出空載到1A條件下）e. 輸出噪聲紋波電壓w 100mV( UI=15V, U0=5V IO=1.5A )f .整機(jī)效率70%(UI=15V U0=5V I0=1.5A)( 2)穩(wěn)流電源a、在輸入電壓UI=1316V波動(dòng)下,輸出電流的可調(diào)范圍為 150mA1500mAb、最大輸出電壓 U0=10V。c、 電流調(diào)整率w 1(在輸入U(xiǎn)I=1316V,電流為1A,負(fù)載電阻為5 Q下測(cè)試)。d、負(fù)載調(diào)整率w 2%(在輸入電壓為15V,輸出電流1A,負(fù)載在1Q5Q條件 下測(cè)試)。e、輸出噪聲紋波電流w 30mA(UI =15V, Uo=10V I

5、o=1.5A )。 f、 整機(jī)效率70%(在 UI=15V, U0=10V I0=1.5A )。2、發(fā)揮部分( 1) 穩(wěn)壓電源a、輸出電壓能數(shù)字顯示；輸出電壓值能數(shù)字設(shè)置 且具有“+”、“ - ”步進(jìn)調(diào)整輸出電壓功能,步進(jìn)w 5mVb、具有過流保護(hù)功能 動(dòng)作電流 IO(th) =2.0±0.2A。c、進(jìn)一步提高整機(jī)效率85%(UI=15V U0=5V I0=1.5A)。d、進(jìn)一步減少噪聲紋波電壓w 10mV( UI=15V, U0=5V I0=1.5A )。e、其他。( 2)穩(wěn)流電源a、輸出電流能數(shù)字顯示；輸出電流值能數(shù)字設(shè)置 且具有“ +”、“- ”步進(jìn)調(diào)整輸出電壓功能，步進(jìn)w2m

6、A b、具有過壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Uoth=11 土0.5 V(UI=15V, Io=1A)。c、進(jìn)一步提高整機(jī)效率85%(UI=15VU0=10V I0=1.5A) 。d、進(jìn)一步減小輸出噪聲紋波電流w 10m(UI =15V, Uo=10V Io=1.5A )。e、其他。2. 設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì)2.1. 直流穩(wěn)壓電源2.1.1 電路方案選擇方案一：經(jīng)變壓器輸出的直流經(jīng)開關(guān)電源穩(wěn)壓輸出。 但此方案產(chǎn)生直流電壓 紋波大 在后幾級(jí)電路中很難加以抑制 因此不可行。方案二：經(jīng)變壓器輸出后 直接進(jìn)入由分立元件搭建的線性穩(wěn)壓電路 線性穩(wěn)壓電路輸出值可調(diào)，優(yōu)點(diǎn)所需元件簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)元件多參數(shù)難以控制iitz

7、-mwAUDIO 10 TOD11 r-MOOTci益a-SOOkQKey=A10%R5 1Dk£EC3+ C4220 Vrm 3 60 Hz0-poe lokn4 ClZZiOnFyQ2lyoozLM11TIHVHR9 1OQ0221N4-0C2CJL闊ooR210kQR3 icjg方案三：在方案二的基礎(chǔ)上選用三段集成直流穩(wěn)壓電器Im317，自帶輸出短路保護(hù)，過流，過熱保護(hù)電路比較上述三種方案，決定選用方案三。因?yàn)槠浞€(wěn)壓性能好，適用范圍比較 寬廣。元件參數(shù)分析Im317輸入電壓30v左右，輸出1.25 37v可調(diào)電壓。且最大輸出電流1.5a， 電壓調(diào)整率0.1%,80db紋波抑制比

8、。2.2. 直流穩(wěn)流電源電路方案選擇方案一：基本思想是利用7805集成基推電壓源，其3端與1端之間固定壓 降為5v，流經(jīng)電阻后產(chǎn)生恒穩(wěn)的電流。(1)不加三極管的方案，如下圖這是一種被普遍采用的產(chǎn)生恒流的方法，但它有兩點(diǎn)不足。一是集成塊的靜態(tài)電流作為負(fù)載電流的一部分，當(dāng)前者隨輸入 電壓及負(fù)載的變化而變化時(shí)，會(huì)影響后者的穩(wěn)定；二是該電路不能提供小于I(adj)的恒流。圖2.1不用三極管的穩(wěn)流電路(2)使用三極管的方案。如下圖：針對(duì)上一種方案，我們進(jìn)行了改進(jìn)，加進(jìn) 了一只三極管，則靜態(tài)電流I (adj)由三極管e、c極提供，而流經(jīng)RL的靜態(tài) 電流僅為I (adj)的1/(1+x)該電路能提供比I (

9、adj)還小的恒定電流。圖2.2 使用三極管的穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)中由于不需要太低的電流，所以不符合題目要求。IR3ioo:n4圖2.3Un-ADJ- II?LM117HMIYU : -wv_- .:R7 .： 5COO 55%Ky-A12 Vikn lKey=A50%OPD7AH_wv :5kOV2訕卜12 V方案三：如圖是一個(gè)由雙運(yùn)放構(gòu)成的恒流電路U2為深反饋同相放大器;U3接成電壓跟隨器組態(tài)它把輸出電壓反饋回輸入端圖2.4比較上述三種方案，決定選用方案三。因?yàn)槠浞€(wěn)流性能好。222元件參數(shù)分析輸出級(jí)OP07C的同向電壓Vp和反向電壓 V分別為VrR4R3R4VoR3+R3RVoRiR1R2根據(jù)放大

10、器特性，Vp =Vn，取Vo a，則Rs上的壓降（Vo -V。）等于基準(zhǔn)電壓Vr，計(jì)算得到Ri = R2 = R3 = R|。則輸出電流為調(diào)節(jié)電位器可得到輸出電流范圍 420mA23 DC-DC變換電路電路方案選擇方案一:P5 ：AAA/:60OkGR4 AAAr-圖2.5采用Boost型DC-DC升壓器。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但輸入輸出電 壓比太大，占空比大，輸出電壓范圍小，難以達(dá)到較高的指標(biāo)。以TL494為控制核心，以功率晶體管IRF630、整流二極管HER10種高頻變 壓器，以及阻容元件構(gòu)成。TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)見附件2,電路原理如圖8所示。TL494 產(chǎn)生一定頻率PWM波，控制功率

11、晶體管導(dǎo)通和截止。當(dāng)IRF630受控導(dǎo)通時(shí)，高 頻變壓器將電能轉(zhuǎn)變成磁能儲(chǔ)存起來，當(dāng)IRF630截止時(shí)，高頻變壓器原、副邊電壓極性改變，HER107由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通，高頻變壓器將原先儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔?，通過整流和LC濾波網(wǎng)絡(luò)變成直流向負(fù)載供電。圖2.6TL494產(chǎn)生開關(guān)頻率控制功率晶體管，并且產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vref。輸出電壓為VrefR11Rw ' R12VOut'R2 + RW取Rii=100K Ri2=2.5K,調(diào)節(jié)電位器Rw=3.125K,則可計(jì)算得輸出電壓V°ut =100V。比較上述二種方案，決定選用方案二。因?yàn)椋軌蚋泳_控制輸出的電壓， 且輸出范圍

12、較大，滿足指標(biāo)。232元件參數(shù)分析變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電變壓 器原理圖流時(shí)，鐵芯中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓(或電流)。 變壓器由鐵芯和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫 初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。市面上很難買到適合題目要求的高頻變壓器， 因此我們選擇自己繞制。輸入電壓最小值Vin=9V,最大占空比錯(cuò)誤！未找到引用源。=0.45，要求輸 出電壓U=100V電流I=10mA 得變壓器功率P。二 U I =100 0.01 =1W取f=40KHz,則變壓器繞阻電感量LP =V!n Dmax =9 0.45/(0.014

13、0000) =10.1mH匝N1Vo 11 "Dmax=(100+1) (1-0.45)/(0.459)=13N 2- D max V inL J二£=J=r上j-,r ,1£5：3aaJ二3巨蘭匚丟蘭工 E-1 L*呂忘g g送孚F-P4P4.P+.4C.IIP?>一P4-?、MSP43啲性能：MSP43系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（Tl）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超 低功耗的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。MSP43特點(diǎn)：MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下的 特點(diǎn)。強(qiáng)大的處理能力MSP

14、430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精 簡(jiǎn)指令集（RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的 操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令； 大量的寄存器以及 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速 度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率 的源程序。豐富的片上外圍模塊 MSP43係列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的 片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT、模擬比較器A、定時(shí)器A（Timer_A）、 定時(shí)器B（Timer_B）、串口 0、1（USART0 1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10 位/12位

15、ADC IIC總線直接數(shù)據(jù)存取（DMA、端口 16（P1P6、基本定時(shí)器（BasicTimer）等的一些外圍模塊的不同組合。 其中，看門狗可以使程序失控時(shí) 迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D轉(zhuǎn)換器； 16位定時(shí)器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存 器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、SPW等；MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè) 為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。MSP43啲內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 1-1. MSP430 Architecture（2） 12864液晶顯示器本次試驗(yàn)采用SMG12864G2-Z液晶顯示模塊，此

16、液晶模塊液晶顯示模塊是 128X 64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo)GB2312 碼簡(jiǎn)體中文字庫（16X16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯 示RAM（ GDRAMo 8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：畫面移位、 睡眠模式等。硬件設(shè)計(jì)在MSP430F14內(nèi)置一個(gè)ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且采樣速度快，ADC的所有 功能都可以通過用戶軟件獨(dú)立配置。結(jié)構(gòu)如圖：軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的流程圖為3. 仿真及分析3.1穩(wěn)壓電路仿真結(jié)果為:3.2穩(wěn)流電流電路調(diào)整電位器輸出的最大電流為20.486 m A謖氏 I d二？IDM；二3.3穩(wěn)流電流電路調(diào)整電位

17、器輸出的最小電流為1.935 m APiRH：5.3kCy ：K 滬'1 ''D：12IIUHiAOrVCC -r1'5V- 1啊9noniDkn :won .血口和九.OP07PGP07CPi- U2-OPflZCP：R4：.：:.：im1DkIl:.:呃:.：HDI1 1M淄1卜4 1 .Q35 mA4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析表i測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1示波器Tektronix1Tektro nix2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器EE164281南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司3數(shù)字萬用表 UT39系列1UNI-T（1）穩(wěn)壓電源測(cè)試 輸出電壓和輸出電流測(cè)試。外接

18、負(fù)載為5Q、5.6 Q、6Q、7Q、8Q的功率電阻，調(diào)節(jié)電位器，改變輸出電壓（9V12V，觀察電流表讀數(shù)變化。測(cè)量 結(jié)果如下表2所示：表2輸出電壓、輸出電流測(cè)試結(jié)果電流/A9V12V5Q1.78-5.6 Q1.60-6Q1.491.987Q1.281.718Q1.121.49從上表中可以看出，穩(wěn)壓電路完全達(dá)到要求。注：如果設(shè)定過流保護(hù)時(shí)的電流為 1.60A，以上超過此值的視為無效。 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試。輸入電壓下，從空載到滿載，測(cè)得輸出電壓如下表3所示：表2負(fù)載調(diào)整率測(cè)試結(jié)果負(fù)載空載、卄 +、， 滿載輸出電壓9.02V9.01V12.01V12.01V計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率為9.02100% 72%12.01 -12.0112.01100% =0滿足題目要求。 紋波測(cè)試。接上負(fù)載后用泰克示波器觀察紋波 Uc為40mV到70mV波動(dòng), 不能滿足指標(biāo)要求。分析原因可能是，2N3055的集電極與散熱片沒有隔離，從 而散熱片接入電路。(2)穩(wěn)流電源測(cè)試 輸出電流測(cè)試。外接負(fù)載阻值為 200Q,調(diào)節(jié)電路中的電位器用萬用表測(cè)出輸出電流最小值和最大值。測(cè)試結(jié)果如下表 3所示