高效数控恒流源设计报告(最终版).docx

代码:LG-3-本-D

2010年TI杯四川省大学生电子设计竞赛

设计报告书

设计题目:高效数控恒流电源(D题) 参赛队代码:LG-3-本-D 竞赛时间: 2010-7

高效数控恒流电源(D题)

摘要

本数控恒流源系统主要由恒流源控制电路、DC/DC变换电路和单片机控制部分三个功能模块组成。恒流源控制电路由硬件闭环稳流电路实现输出电流的稳定控制。DC/DC转换模块采用单端正激式DC/DC变换电路,可实现降压和升压的功能,扩大输入电压范围至8-20V。单片机控制模块以MSP430单片机为控制核心,结合键盘、DAC和LCD实现系统的控制和显示功能。

一、总体方案设计

1、方案论证与比较

(1)恒流源电路方案

方案1:采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值,经MCU处理后送入DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值,再经过ADC转换送回单片机,与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法,调整输出电流值使其与设定电流值相等,从而构成闭环控制系统。

方案2:采用硬件闭环控制。硬件的闭环稳流的典型电路如图1所示,根据集成运放的虚短概念,可得到:

IL Vi/R1

式中IL为负载电流,R1为取样电阻,Vi为运算放大器同相端输入信号。

若固定R1,则IL完全由Vi决定,此时无论Vcc或是RL发生变化,利用反馈环的自动调节作用,都能使IL保持稳定。

方案1最大的问题是:若输入电源电 压或负载发生变化,都需要经过一段时间调 整后才能使电流稳定。而方案2硬件电路不 仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出, 故本系统采取方案2。

图1 硬件闭环稳流电路

(2)DC/DC电压转换电路方案

最基本的斩波电路如图2所示,斩波器负载为R。当开关S合上时,Uout=Ur=Uin,并持续t1时间。当开关切断时Uout=Ur=0,并持续t2时间,T=t1+t2为斩波器的工作周期,斩波器的输出波形如图1(b)所示。定义斩波器的占空比D=t1/T,t1为斩波器导通时间,T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种:一是脉宽调制工作方式,即维持t1不变,改变T;二是脉频调制工作方式,即维持T不变,改变t1。当占空比D从0变到1时,输出电压的平均值从零变到Uin,也就是说输出电压可随D而改变。

(

(a) (b)

图2 降压斩波电路原理

在高频稳压开关电源的设计中,普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式容易产生谐波干扰,而且其滤波器设计也比较困难。

DC/DC变换器有:降压式(Buck),升压式(Boost),单端正激式,单端反激式,双管正激式,双管反激式,半桥式,全桥式,推挽式等多种典型变换电路。虽然DC/DC转换电路很多种,但都具有各自不同的特点:

Buck和Boost电路虽然效率较高但不能同时实现降压和升压的双重功能。基于题目要求,电源部分需同时具有升压和降压的功能,故这两种电路此处不可取。兼有升、降压功能的 Buck-Boost电路要满足8~20V的要求颇为不易。

双管正激式、双管反激式、半桥式、以及全桥式DC/DC变换电路适合于大功率等级(200W以上)的电路,不太适合小功率电源电路。由本题设计要求:恒流源输出最大电压10V且输出电流范围为20~2000mA,即输出功率最大值为20W,属于小功率电源。因而以上电路不适合本设计。

推挽式隔离变换电路,使用两个管子进行推挽,变压器采用中心抽头连接,二次侧也是两相半波整流,因此相当于两个正激式变换电路在工作,这类变换电路较复杂,综合考虑本设计不使用该电路。

单端反激式单管变换器的电路,其输出的纹波电压比较大,若要减小纹波,需要加入复杂的滤波电路。本设计不采用该电路。

单端正激式变换电路因为其使用无气隙的磁芯,铜损低,感量较高,变压器的峰值电流较小,输出电压纹波低。适用于低电压大电流的开关电源,多用于150W以下的小功率场合。

综上所述,由于正激式开关电源电路结构简单、功率密度较高。所以本设计电源部分采取此电路。

2、系统设计框图

系统总体框图如图3所示,输入电压经DC/DC转换电路后输出为恒流源电路、单片机控制系统以及恒压源电路提供电源。恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能,用户通过键盘设定输出电流值,经MCU处理经 DAC转换为控制电压,传入恒流源电路,从而控制输出电流的大小。同时在LCD上显示系统的相关信息。此外系统中也扩展了恒压源电路。

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