智能穩(wěn)壓電源設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)開關(guān)管V出現(xiàn)過電流時，電阻R404上測得的過電流信號，輸送到電流測定比較器的同相輸入端，只要R404的電壓達(dá)到1V，電流測定比較器動作，通過PWM鎖存器使開關(guān)管關(guān)斷，實現(xiàn)過流保護(hù)功能。當(dāng)VIN低于16V時，整個電路耗電緊1mA,即電路的啟動電壓為16V，啟動電流為1mA，此時，處于待機(jī)狀態(tài)。而電路的關(guān)斷閥值為10V。啟動電壓和關(guān)斷閥值電壓相差6V，是為了防止電路在閥值電壓附近工作時，反復(fù)出現(xiàn)啟動/關(guān)斷的跳動。當(dāng)電路一旦恢復(fù)正常工作，由輔助繞組進(jìn)行對UC3842的供電。芯片正常工作時的電流為11mA～15mA。振蕩器的振蕩頻率由引腳8和引腳4之間的電阻器R402，引腳4到地的電容器C404來決定。引腳8在芯片內(nèi)部接在電壓基準(zhǔn)的5V電壓上，5V電壓要通過R402對C404充電。Fosc約為40KHz。當(dāng)UC3842用來驅(qū)動功率MOS管時，開關(guān)頻率可高達(dá)500KHz，一般用在250KHz左右，開關(guān)穩(wěn)壓電源工作更穩(wěn)定。電阻器R413和電容器C411構(gòu)成軟啟動電路，當(dāng)C411上的充電電壓達(dá)到啟動電壓時，電路啟動，啟動電流緊為1mA。輸出級為圖騰柱式輸出電路，輸出晶體管的平均電流為177。200mA，最大可以輸出177。1A的峰值電流。若要使輸出關(guān)斷，可以將引腳3上的電壓升到1V以上，通過電流測定比較器將輸出關(guān)斷?；蛘邔⒁_1上的電壓降到1V以下，實現(xiàn)輸出關(guān)斷。以上兩種關(guān)斷輸出的方法都是使電流測定比較器輸出高電平，PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)斷輸出端直到下一個周期的時鐘脈沖將PWM鎖存器重新置位。所以，實現(xiàn)了逐個脈沖的電流限制。 UC3842簡介為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路通過UC3842 和外圍電路實現(xiàn)。通過采樣反饋電路改變開關(guān)占空比，來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉的脈寬，從而使輸出電壓穩(wěn)定[10]。PWM控制器采用 UC3842集成電路，UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器。假如由于某種原因使輸出電壓升高時，脈寬調(diào)制器就會改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，亦即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。UC3842可以直接驅(qū)動MOS管、IGBT等，適合于制20～80W小功率開關(guān)電源。由于器件設(shè)計巧妙，由主電源電壓直接啟動，構(gòu)成電路所需元件少，非常符合電路設(shè)計中“簡潔至上”的原則。PWM 電路控制功率推動電路，進(jìn)而驅(qū)動開關(guān)變壓器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)電壓反饋電路矯正得到穩(wěn)定的輸出電壓；電壓取樣電路將采集的電壓信息送至單片機(jī)，從而顯示當(dāng)前電壓值。采用PWM控制的優(yōu)點是: 簡化了硬件電路,降低了硬件成本。 在PWM 控制過程中, 單片機(jī)可實時檢測ADC 端口上電流的大小, 并根據(jù)電流大小與設(shè)定值進(jìn)行比較, 以決定PWM占空比的調(diào)整方向， 單片機(jī)利用ADC 的端口和PWM的寄存器可以任意設(shè)定電流的大小。UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個引腳，引腳圖如圖34：圖34 UC3842引腳圖UC3842內(nèi)部主要包括：5V 基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、過流檢測電壓比較器、PWM鎖存器、輸入欠壓鎖定電路。具有8腳封裝的UC3842芯片各引腳功能如下：腳1 為誤差放大器輸出，用于環(huán)路補(bǔ)償；腳2是誤差放大器的反相輸入，通常通過一個電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出，起電壓反饋作用；腳3為電流取樣引腳，脈寬調(diào)制器使用此信息終止輸出開關(guān)的導(dǎo)通，保護(hù)開關(guān)管不致過流損壞；腳4用于定時，通過時間電阻RT連接至參考輸出引腳8以及時間電容CT連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)，振蕩頻率為f=（RT CT），工作頻率可達(dá)500kHz；腳5 是控制電路和電源的公共地；腳6 是輸出驅(qū)動開關(guān)管的方波引腳，為圖騰柱式輸出，可直接驅(qū)動功率管MOSFET的柵極；腳7是控制集成電路的正電源（Vcc）；腳8是參考輸出引腳，它通過電阻RT向電容CT提供充電電流。UC3842還包括過壓、欠壓保護(hù)電路，當(dāng)供電電源電壓低于10V時，芯片停止工作。 穩(wěn)壓輸出電路 穩(wěn)壓輸出電路設(shè)計根據(jù)論文要求需要得到兩組固定輸出分別為15V/+15V和5V/+5V，由于兩組輸出原理完全相同，在這里只介紹15V/+15V。該電路是通過PWM控制電路產(chǎn)生的18V/+18V傳送給兩片LM2576開關(guān)穩(wěn)壓集成電路從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的，輸出兩組穩(wěn)定電壓。電路圖如35所示：圖35 穩(wěn)壓輸出電路圖從電路圖35可以看出，該電路輸入電容C20C202一般應(yīng)大于100uF,安裝時要求盡量靠近LM2576輸入引腳，其耐壓值應(yīng)與最大輸入電壓匹配。此處選用耐壓值為25V/100uF或35V/100uF的極性電解電容。輸出電容C20C204輸出電容值根據(jù)：C≥13300Vin/VoutL計算。Vin為最大輸入電壓，Vout是LM2576的輸出電壓。L是經(jīng)計算并查表選出的電感L2OL202的值，輸出電容選擇25V/100uF極性電解電容。二級管D20考慮到負(fù)載短路的情況，二級管的額定電流值應(yīng)大于LM2576的最大電流限制，所以此處選用SB540。本設(shè)計的穩(wěn)壓輸出電路選用的是LM2576實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，由LM2576特性可知，、5V、12V、15V四種固定輸出可選擇，輸出電流為3A，因此可直接滿足論文輸出電壓和輸出電流指標(biāo)；紋波系數(shù)大小主要是由輸出電容C20C204和LM2576決定，輸出電容越大，紋波系數(shù)就越小，本設(shè)計把輸出電容值選擇為1000uF，那么紋波就會小于5mV；輸出電壓穩(wěn)定度通過試驗得知空載時輸出電壓分別為5V、15V，滿載時輸出電壓分別為5V、15V，穩(wěn)定度小于1％，所以都滿足論文指標(biāo)。 LM2576開關(guān)穩(wěn)壓集成電路:(1)、5V、12V、15V和可調(diào)電壓輸出多種系列[11]；（2）－37V (HV型號的可達(dá)57V)，負(fù)載電壓的輸出容差最大為177。4％；（3）最少只需要4個外圍組件，3A的輸出大電流應(yīng)用電路（4）較寛的輸入電壓范圍，HV型號甚至可達(dá)40V～60V；（5）內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生52KHz固定頻率；（6）可用TTL電平關(guān)閉輸出，低功耗待機(jī)模式，典型待機(jī)電流為50μA；（7）BUCK式降壓器，較高的轉(zhuǎn)換效率；（8）過熱和過流保護(hù)；（9）可實現(xiàn)BuckBoost式正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器。:（1）N—輸入電壓端，為減小輸入瞬間電壓和給調(diào)節(jié)器提供開關(guān)電流，此接腳應(yīng)接旁路電容CIN；（2）PUT—穩(wěn)壓輸出端，輸出高電壓為（VIN－VSAT）。（3）SD—電路地；（4）FEEDBACK—反饋端；電子（5）ON/OFF—控制端，高電平有效，待機(jī)靜態(tài)電流僅為75μA 可調(diào)輸出電路 可調(diào)輸出電路設(shè)計本設(shè)計的可調(diào)范圍在5V到+5V，電路主要由運(yùn)算放大器LM358和LM2576開關(guān)穩(wěn)壓集成電路組成。電路圖如36所示:圖36 可調(diào)輸出電路，只需要100個點就可滿足5V到5V的可調(diào)，而DAC0832有256個點完全滿足設(shè)計要求；可預(yù)置輸出可通過鍵盤直接輸入，由圖36可看出，當(dāng)用戶從鍵盤輸入需要設(shè)定的電壓值后，由單片機(jī)AT89C51輸出并控制DAC0832進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。由于DAC0832是電流型DA芯片，所以需要對其進(jìn)行I—V變換，此電路中I—V變換通過LM358實現(xiàn)，然后將其相應(yīng)輸出電壓加至LM2576ADJ的可調(diào)端（4腳），變可得到相應(yīng)輸出電壓。AD轉(zhuǎn)換中可能出現(xiàn)誤差，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，該部分電路采用閉環(huán)控制方式，對輸出進(jìn)行實時監(jiān)測。 運(yùn)算放大器LM358LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益 模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合[12]。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。其引腳圖引腳功能如圖37所示：圖37 LM258引腳圖引腳功能圖LM358主要特性(Features)如下： l 內(nèi)部頻率補(bǔ)償。 l 直流電壓增益高(約100dB)。 l 單位增益頻帶寬(約1MHz)。 l 電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；雙電源(177。177。15V)。 l 低功耗電流，適合于電池供電。 l 低輸入偏流。 l 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。 l 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。 l 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。 l 輸出電壓擺幅大（) 。 主要參數(shù)如下：l 輸入偏置電流45 nAl 輸入失調(diào)電流50 nAl l 輸入共模電壓最大值VCC~ Vl 共模抑制比80dBl 電源抑制比100dB DAC0832模塊電路D/A轉(zhuǎn)化器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)放大及驅(qū)動加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，對被控制對象實施控制。直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片DAC0832。DAC0832的原理框圖如圖38所示。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機(jī)送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)[13]。圖38 DAC0832原理框圖當(dāng)WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換[9]。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。 MCU控制電路 MCU控制電路設(shè)計主要由AT89C51和鎖存器74LS573組成，其中P0口作為液晶顯示器LCD1602的數(shù)據(jù)口，P1口作為AD0801及DAC0832的數(shù)據(jù)口，此時P1口采用分時復(fù)用技術(shù)。當(dāng)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換時，將數(shù)據(jù)輸入74LS573，并將其鎖存，以保證AD轉(zhuǎn)換輸出不影響DA轉(zhuǎn)換。MCU的P2口作為液晶AD0801和74LS573的控制端口，P3口作為用戶鍵盤輸入端口。電路圖如39所示39 MCU控制電路圖 AT89C51簡介AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)[12]。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT8920C51是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案此外，AT89C51有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89C51引腳圖如圖310所示:圖310 AT89C51引腳圖AT89C51主要性能參數(shù)：l 與MCS51兼容 l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器l 壽命：1000寫/擦循環(huán) l 數(shù)據(jù)保留時間：10年 l 全靜態(tài)工作：0Hz24MHz l 三級程序存儲器鎖定 l 1288位內(nèi)部RAM l 32可編程I/O線 l 兩個16位定時器/計數(shù)器 l 5個中斷源 l 可編程串行通道 l 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 原理：74LS573 的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入[13]。 AD轉(zhuǎn)換電路 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計AD 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換由于采用的是8位并行AD轉(zhuǎn)換芯片AD0801，所以只需將其數(shù)據(jù)口與MCU的P1口進(jìn)行連接即可。、其接口電路如圖311所示圖311 AD轉(zhuǎn)換電路圖 AD轉(zhuǎn)換電路原理在我們所測控的信號中均是連續(xù)變化的物理量，通常需要用計算機(jī)對這些信號進(jìn)行處理，則需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器就是為了將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能接受的數(shù)字量。根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，常用的A/D轉(zhuǎn)換器可分為兩種，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。1. 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分A/D轉(zhuǎn)換器采用間接測量的方法，它將被測電壓轉(zhuǎn)換成時間常數(shù)T，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)，積分器，比較器，計數(shù)器和控制邏輯等部分組成[14]。所謂雙積分就是進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換需要兩次積分。電路先對被測的輸入電壓Vx進(jìn)行固定時間(T0)的正向積分，然后控制邏輯將積分器的輸入端通過電子開關(guān)接參考電壓Vr，由于參考電壓與輸入電壓反向且參考電壓值是恒定的，所以反向積分的斜率是固定的，從反向積分開始到結(jié)束，對參考電壓進(jìn)行反向積分的時間T,正比于輸入電壓。輸入電壓越大反向積分時間越長，用高頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖計數(shù)測此時間，即可得到相應(yīng)于輸入電壓的數(shù)字量。特點：可以有效的消除干擾和電源噪聲，轉(zhuǎn)換精度高，但是轉(zhuǎn)換速度慢。2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)和控制邏輯等幾部分組成。其轉(zhuǎn)換原理為：A/D轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓Ui與一個預(yù)先設(shè)定的電壓Ui（預(yù)定的電壓由逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中的D/A輸出獲得）電壓相比較，根據(jù)預(yù)設(shè)的電壓Ui是大于還是小于待轉(zhuǎn)換成的模擬輸入電壓Uin來決定當(dāng)前轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是“0” 還是“1”，據(jù)此逐位比較，以便使轉(zhuǎn)換結(jié)果（相應(yīng)的數(shù)