程控直流稳压电源

2012年吉林省电子设计竞赛设计与总结报告程控直流稳压电源（A题）

摘要

直流稳压电源是电子技术领域不可缺少的设备，目前直流稳压电源已朝着多功能和数字化的方向发展。本系统以MSP430单片机为核心结合数字反馈控制技术实现程序控制的直流稳压电源。硬件主要包括：单片机系统、传统供电直流电源、升降压斩波电路、及由6N137光耦合组成的反馈电路等。软件系统使用模块化形式编程，易维护。电路具有电压调整简便，读数直观，电压输出稳定，便于智能化管理的特点，有效地克服了传统电源的不足。测试符合各项指标要求。

关键字：MSP430单片机、540场效应管、数控、升降压斩波电路

目录

摘要 (2)

1.方案比较与论证 (4)

1.1方案一 (4)

1.2 方案二 (4)

1.3 方案论证 (5)

2 主要硬件选择 (5)

2.1单片机的选择 (5)

2.2 显示屏的选择 (6)

2.3 高频开关的选择 (6)

2.4键盘的选择 (6)

3 系统设计 (7)

3.1总体要求 (7)

3.2 总体设计 (7)

3.2.1单片机的信号与控制的分析 (8)

3.2.2 PWM占空比和频率的计算 (8)

3.3电路的设计 (9)

3.3.1单片机最小系统 (9)

3.3.2显示电路设计 (9)

3.3.3直流电源的设计电路 (9)

3.3.4数控反馈回路的设计 (10)

3.3.5 升降压斩波电路图 (11)

3.3.6输出电流检测电路图 (11)

4 系统调试 (12)

4.1 测试方案 (12)

4.2 测试仪器 (12)

4.3 测试结果 (12)

4.4结果分析 (14)

1.方案比较与论证

1.1方案一

以sepic斩波电路作为开关控制电路，如图1.2-1所示。该电路的基本工作原理是：当V处于通态时，E-L1-V回路和C1-V-L2回路同时导电，L1和L2储能。V处于断态时，E- L1- C1-VD-负载（C2和R）回路及L2-VD-负载回路同时导电，此阶段E和L1及向负载供电，同时也向C1充电，C1储存的能量在V处于通态时向L2转移。

图1.2-1

1.2 方案二

以升降压斩波电路作为开关控制电路，如图1.2-2a所示。该电路的基本工作原理是：当可控开关V处于通态时，电源经Ｖ向电感Ｌ供电使其储存能量，此时电流为ｉ1，方向如图所示，同时电容Ｃ维持输出电压基本恒定并向负载供

电。此后，使Ｖ关断，电感中储存的能量向负载释放，电流为ｉ

2

1.3 方案论证

升降压斩波电路为最基本的电路，从原理上并不优于方案一种的sepic电路，sepic电路中，电源电流和负载电流均为连续，有利于输入和输出滤波，而且输出电压为正极性的。但是为了我们从另一个角度考虑，解决问题，选择了最基本的电路作为开关控制电路，提高解决问题的能力，同时也为问题的解决找出新的思路。

图1.2-2a

升降压斩波电路的波形

2 主要硬件选择

2.1单片机的选择

要完成该题目要求的任务，有多种单片机可供我选择作为系统的控制单元，由于我们知识有限，所以锁定MCS51系列单片机和MSP430系列单片机作为选择范围。

MCS51系列单片机是国内使用最多的产品，对其使用的技术很成熟。我们优先考虑使用该系列的单片机作为系统控制单元，我们所熟知的该系列的单片机没

有LCM驱动模块，为了达到题目要求的显示相关数据的目的，我们需要外接LCM 驱动电路。

MSP430系列单片机是一款16位超低功耗的产品，具有丰富的外部接口，该系列单片机有许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，包括A/D 转换， LCM驱动电路等，消除了使用MCS51单片机需要外接某些电路的麻烦，可以使整个系统更加简洁。

经过综上比较，我们选择了MSP430F169单片机作为我们的控制单元。

2.2 显示屏的选择

我们手中实验用的液晶显示屏有LCD和LCM，为了满足显示内容的要求以及外观需要，我们选择LCM作为整个系统的显示模块。

2.3 高频开关的选择

选择一：IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，驱动功率小而饱和压降低，非常适合用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、照明电路等。

选择二：场效应管它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，

综上IGBT与场效应管的优缺点，结合设计题目的实际情况，我们选择540场效应管作为整个系统的高频开关。

2.4键盘的选择

选择一：普通独立式键盘，焊接方便，编程简单。

选择二：4*4矩阵式键盘，焊接不便，编程困难，占用版面较大。

在满足题目要求的前提下以最简、最易为原则选择普通独立式键盘。，

3 系统设计

3.1总体要求

设计并制作直流稳压电源，输入电压范围为DC 10V～30V，输出电压为DC 18V。

基本要求：

(1)输入电压变化范围10V～30V，输出电压保持为18V；

(2)最大输出电流IOmax：1A；

(3)输入电压UIN从10V～30V变化时，电压调整率SU≤2%（IO=1A）；

(4)电流IO从0～1A变化时，负载调整率SI≤5%（UIN=10V）；

(5)输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤0.5V（UIN=10V～30V,UO=18V, IO =1A）；

(6)DC-DC变换器的效率η

≥70%（UO =18V, IO =1A）；

3.2 总体设计

以5

±V，和15V直流电源作为整个系统的供电电源。接入外部直流电源（10V～30V）输入到升降压斩波电路，对输出电压采样，并改变极性输入给MSP430单片机，通过片内ADC（A/D、模数转换）模块把模拟量转化为数字量，经单片机分析处理发出PWM的数字信号反馈调节，控制IGBT的通断，从而构成稳定的直流电压源，并且将有关数据反映在液晶屏上。，

系统总体设计框图如图3-1所示

图3-1

3.2.1单片机的信号与控制的分析

控制高频开关，采用PWM办法，开关并非连续关闭或导通，而是在一个特定的频率下以方波的形式驱动540场效应管。不同的占空比能对开关的通断起到调速的作用。通过执行软件延时程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。

3.2.2 PWM占空比和频率的计算

用定时器中断产生PWM信号（如图3.2.2-1所示）。用T0产生PWM的周期，用T1控制PWM的占空比，T0中断时让一个IO口输出高电平，且启动定时器T1，T1让IO口输出低电平，这样改变定时器IO的处置可以改变频率，改变定时器T1的初值就可以改变占空比，用定时器实现了PWM功能。

公式：

PWM计算：对于12M晶振， PWM输出频率为1KHZ，这样定时中断次数设定为C=100，即0.01ms中断一次，则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为0.01ms,这样可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms。

图3.2.2-1

3.3电路的设计

3.3.1单片机最小系统

采用MSP430F169单片机作为系统控制单元，外配4MHz主晶振和32768Hz的辅助晶振、复位电路、按键电路、LM12864显示器构成单片机小系统，MSP430F169单片机小系统电路如图3-3-1所示。

3.3.2显示电路设计

LCM12864液晶显示模块与单片机连接电路如图2-3 所示

3.3.3直流电源的设计电路

直流稳压电源电路如图3-3-3所示。

5

图3-3-1

图3-3-2

图3-3-3 3.3.4数控反馈回路的设计

数控反馈电路如图3-3-4所示

图3-3-4

3.3.5 升降压斩波电路图

升降压斩波电路如图3-3-5所示

图3-3-5 3.3.6输出电流检测电路图

输出检测电路如图3-3-6所示

图3-3-6 4 系统调试

4.1 测试方案

根据题目的每一项要求，测试系统。4.2 测试仪器

万用表，示波器，电流表。

4.3 测试结果

1、基本要求

1）当输入电压U

IN 在0～30V之间变化时，测出输出电压U

O

的值的大小（要求输

出电压U

O

=18V）：

2）输出电流最大值可达到Iomax=1A。

3）当输入电压U

IN 在0～30V之间变化时（I

O

=1A），测出输出电压和电压调整率

的大小（要求电压调整率至少为S U≤2%）：

4）当输出电流I

O 在0～1A之间变化时（U

IN

=10V），测出输出电压和负载调整率

的大小（要求负载调整率至少为SI≤5%）：

2、发挥部分

1）当输入电压U

IN 在0～30V之间变化时（I

O

=1A），测出输出电压和电压调整率

的大小（要求电压调整率S U≤0.5%）：

2）当输出电流I O在0～1A之间变化时（U IN=10V），测出输出电压和负载调整率的大小（要求负载调整率SI≤1%）：

4.4结果分析

[参考文献]

[1] 时景荣、李玉茹.C语言程序设计（第二版）[M].北京：中国铁道出版社.2010.

[2] 童诗白、华成英.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2009.423 ～433.

[3] 泰龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京.电子工业出版社.2007

[4] 阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2010.

[5] 王兆安、黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009. 100～110.