1、2013年全國大學生電子設計大賽報告【專科組】直流穩壓電源及漏電保護裝置（L題）摘要：在科技日新月異的現代，隨著電子技術，自動化技術，IC技術等的高速發展，出現了各種各樣的電子設備，如計算機、電視機、通信設備、工業控制設備、服務器、路由器和醫療儀器等。在電子設備內部，各種各樣的IC電子電路和執行裝置都需要電源。電子設備由于要完成許多先進、高級的功能，對供電電源的精度、穩定性、動態想響應能力及其他很多指標都有非常高的要求，而電網直接提供的交流電或電池直接提供的直流電是隨環境、時間或負載變化的，它們不能直接成為電子設備所需的內部電源。將電網或電池提供的一次電能轉換為符合電子設備要求的二次電能，這樣

2、的設備便是電源。電源是一切電子設備的心臟，是所有電子設備的動力，沒有電源，電子設備就不能工作。關鍵字：電子設備 交流電 二次電能 電源Abstract: in modern science and technology change rapidly, along with the development of electronic technology, automation technology, the rapid development of IC technology, the electronic devices of all kinds, such as computer, tel

3、evision, communications equipment, industrial control equipment, server, router and medical instruments etc. In the electronic equipment, IC electronic circuit and executor of all kinds need power supply. Electronic equipment due to be completed many advanced, advanced functions, accuracy, stability

4、, dynamic power supply to response ability and many other indicators have a very high demand, while the DC AC power directly or directly to the battery is provided with the environment, time or load changes, they can not be directly into an internal power supply electronic equipment required.The pow

5、er or battery provides an electrical energy is converted to meet the requirements of electronic device two powers, such equipment is power. The power electronic equipment is all heart, is the driving force, all electronic devices without power supply, electronic equipment cannot work.Keywords: elect

6、ronic equipment AC power supply two目錄1.系統設計11.1設計要求11.2.總體方案設計11.2.1設計思路11.2.2控制系統21.2.3方案論證與比較22.單元模塊設計42.1 TL494構成的PWM控制器電路的設計42.2單片機檢測電路的設計62.2.1單片機顯示電路的設計62.3電壓、電流檢測電路的設計83.系統調試94.系統測試104.1測試使用的儀器104.2指標測試和測試結果104.2.1輸出電壓電流的測試104.2.2電壓調整率的測試114.4.3負載調整率的測試115.設計總結12參考文獻：12附錄12附錄1：元器件清單12附錄2：系統電路

7、圖13前言：電源是一切電子設備的動力，此次設計的是一臺額定輸出電壓為5V，額定輸出電流為1A的直流穩壓電源。輸出端電壓接一個5的電阻作為負載，該設計的輸入電壓在725V之間變化，其輸出電壓要求為5±0.05V。當輸入電壓在5.57V變化時輸出電壓仍為5±0.05V。采用TL494組成控制電路輸出5V電壓和1A電流，直流穩壓電源通過控制調整管的導通時間達到穩定輸出電壓的目的。整個工作周期中，調整管相當于一個開關，工作在截止和飽和狀態，等效于開關的斷開和閉合。因此開關直流穩壓電源功耗很低、工作效率很高、質量輕、體積小等優點。同時電路中也有電流電壓檢測電路，實時檢測電源的輸出功率

8、。1.系統設計1.1設計要求設計一個額定輸出電壓為5V，額定輸出電流為1A的直流穩壓電源。輸出端接負載RL阻值固定為5。當直流輸入電壓在725V變化時，要求輸出電壓為5±0.05V，電壓調整率SU1%。當直流輸入電壓在5.57V變化時，要求輸出電壓為5±0.05V。直流輸入電壓固定在7V，當直流穩壓電源輸出電流由1A減小到0.01A時，要求負載調整率SL1%。并制作一個功率測量與顯示電路，實時顯示穩壓電源的輸出功率。1.2.總體方案設計1.2.1設計思路題目要求設計一個直流穩壓電源額定輸出電壓為5V，額定輸出電流為1A。考慮到效率的問題決定設計一個開關直流穩壓電源，使用TL

9、494組成降壓式開關電源，TL494包含了開關電源控制所需的全部功能。數顯部分使用LED數碼管顯示該直流穩壓穩壓電源的輸出功率。控制部分采用C8051F410單片機控制數碼管的顯示。總體設計框圖如圖1-2-1所示：直流輸入5.525VLED顯示輸出功率CPU檢測電壓、電流輸出額定電壓5V額定電流1ATL494控制電路圖1-2-11.2.2控制系統電壓型PWM控制電路TL494TL494組成降壓式開關電源，該設計采用降壓式變換器，輸出控制端（13腳）接地（低電平）。為了增大輸出控制脈沖的驅動電流，兩個輸出管的集電極（8腳和11腳）并聯，驅動功率開關管。輸出電壓直接采樣送到誤差放大器1的同相輸入端

10、，誤差放大器1的反向輸入端接基準電壓+5V（14腳），誤差放大器2組成輸出過流保護電路（1.4A），誤差放大器輸出端（3腳）接有增益控制電阻和相位校正網絡。TL494內部框圖如圖1-2-2所示：圖1-2-2單片機檢測功率電路使用C8051F410單片機內部的ADC檢測電路輸出的電壓，電流經過模數轉換和相關計算后送給數碼管顯示出輸出功率。因為C8051F410的ADC0子系統集成了一個27通道的模擬多路選擇器（AMUX0）和一個200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和硬件累加器。ADC0子系統有一種特殊的突發方式（Burst mode），該方式

11、能自動使能ADC0，采集和累加樣本值，然后將ADC0置于低功耗停機方式，而不需CPU干預。AMUX0、數據轉換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。ADC0輸入為單端方式，可以被配置為用于測量P0.0P2.7溫度傳感器輸出、VDD或GND（相對于GND）。只有當ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1或在突發方式執行轉換時，ADC0子系統才被使能。當AD0EN位為0時或在突發方式下不進行轉換時，ADC0子系統處于低功耗關斷方式。1.2.3方案論證與比較1.脈寬調制PWM芯片的設計方案論證與選擇方案一：采用SG3524芯片SG3524芯片可以直接產生脈寬調制信號，但是

12、這種電路產生的波形線性不好，達到要求較難，產生PWM方波時所需要的外圍線路簡單。而且它產生的脈寬調制波的占空比不高，波形不理想，且由SG3524所做的逆變器不允許帶感性負載。方案二：采用TL494芯片TL494芯片的主要特征是，它集成了全部的脈寬調制電路，芯片內置線性鋸齒波振蕩器和誤差放大器，且外置振蕩元件就兩個，一個電容和一個電阻，線路較簡單，穩壓精度為5V±5%.芯片內置5V的參考基準電壓源，可不用外接電源。而且其內置功率晶體管能夠提供0.5A的驅動能力，使得設計的電路能夠提供不間斷的交流電，同時滿足電路簡單，體積小得要求。芯片的輸出方式為推或拉兩種。綜上所述，選擇方案二采用TL

13、494芯片，它具備軟啟動功能，還可調整死區時間，同時還具備輸入，輸出，過壓、過熱保護，所以選擇方案二。2.數碼管驅動芯片的方案論證與選擇方案一：采用74LS164這是一片帶鎖存的串入并出芯片，需要占用單片機的2或3根線，MR為輸出狀態清除，本身驅動電流不大，驅動LED需要另外加三極管或者驅動芯片。對單片機的端口使用較多，并且對單片機的掃描是全時的。方案二：采用CH452CH452芯片是高速鍵盤掃描控制芯片，每片可接8×8的矩陣鍵盤。CH452芯片專門用于LED、數碼管、按鍵的驅動顯示。一片芯片可以控制8個數碼管和64個按鍵。以動態掃描的形式對每一位分別點亮，大幅度節約電力。同時對按下

14、的按鍵能夠產生中斷，節約單片機寶貴的處理等待時間。可選2線或4線接口，減少單片機IO口的使用。這塊芯片難能可貴之處是可以直接輸入BCD碼的數碼管數據，也就是在單片機端根本不需要使用譯碼這一步驟，又一次增加了單片機的時間。綜上所述，選擇方案二使用CH452芯片驅動數碼管。3.單片機的方案論證與選擇方案一：AT89C51單片機AT89C51單片機標準功能有4k字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空

15、閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。方案二：C8051F410單片機C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統型MCU。下面列出一些主要特性：高速、流水線結構的8051兼容的微控制器核（可達50MIPS），全速、非侵入式的在系統調試接口（片內），真12位200ksps的24通道ADC，帶模擬多路器，兩個12位電流輸出DAC，高精度可編程的24.5MHz內部振蕩器，達32KB的片內 FLASH存儲器，2304字節片內RAM，硬件實現的SMBus/I2C

16、、增強型UART和增強型SPI串行接口，4個通用的16位定時器，具有6個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數器/定時器陣列（PCA），硬件實時時鐘（smaRTClock），工作電壓可低至1V，帶64字節電池后備RAM和后備穩壓器 ，片內上電復位、VDD監視器和溫度傳感器 ，多達24個端口I/O等。C8051F410還具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F410器件是真正能獨立工作的片上系統。綜上所述，選擇方案二采用C8051F410單片機其內部的ADC采樣時間可以直接對輸出電壓、電流進行采樣，經過處理送給LED數碼管顯示電源的輸出功率。AT89C51單片

17、機內部沒有這種功能，因此采用C8051F410單片機。2.單元模塊設計2.1 TL494構成的PWM控制器電路的設計PWM控制是指在開關工作頻率(即開關周期Tn)固定的情況下，直接通過改變導通時間(T0N)來控制輸出電壓U。的一種方式。也就是通過改變開關導通時間T0N來改變開關控制電壓的脈沖寬度。PWM控制器一般由基準電壓穩壓器、振蕩器、誤差放大器和脈沖控制電路組成。其中基準電壓穩壓器10的作用是為電路提供穩定的電源。振蕩器的作用是為PWM 比較器提供一個鋸齒波信號和與之同步的驅動脈沖控制電路的輸出同步信號。其振蕩頻率可由外部電容Cext和電阻Rext來設定。誤差放大器用于將電源輸出電壓與基準

18、電壓進行比較。脈沖控制電路的作用是以正確的時序使輸出晶體管導通,其結構如圖2-1-1圖2-1-1通過適當的外接電路，不但可以產生PWM信號輸出，而且還有多種保護功能。TL494含有振蕩器、誤差放大器、PWM比較器及輸出級電路等部分。振蕩器(OSC)振蕩頻率由外接元件R、C決定，表達式為1.工作頻率：已知工作頻率Fosc為3040kHz，根據 ，取R1=10K、C2為3300PF。2.開關管的選擇：開關管VT在電路中承受的最大電壓是U，考慮到輸入電壓波動和電感的反峰尖刺電壓的影響，所以開關管的最大電壓應滿足1.1×1.2U。實際在選定開關管時，管子的最大允許工作電壓值還應留有充分的余地

19、，一般選擇（23）1.1×1.2U。開關管的最大允許工作電流，一般選擇（23）I。開關管的選擇，主要考慮開關管驅動電路要簡單、開關頻率要高、導通電阻要小等。本設計選擇P溝道功率場效應管IRF9540，該器件的VDSM=100V，IDM=19A，完全滿足設計要求3.輸出電壓：由公式Uref =5V4.續流二極管：選用快恢復二極管，反向偏壓為，峰值電流大于，IN58223A/40V滿足要求。5.輸出電容：一個工作周期共向輸出電容充電荷紋波，則，通常取，能滿足要求。6儲能電感的選擇：根據電路的工作波形，電感電流包括直流平均值和紋波分量兩部分。假若忽略電路的內部損耗，則變換器的輸出能量和變換

20、器的輸入能量相等，即，所以 即從電源取出的平均電流也就是流入電感的平均電流。電感電流的紋波分量是三角波，在TON期間，電流的增量為；在TOFF期間，電流將下降，其減少量為；在穩態下，。在選擇I時，一般要求電感的峰值電流不大于其最大平均電流的20%，以免使電感飽和；同時流過電感中的電流最小值也應大于或等于零。實際設計時，選擇電感電流的增量，所以開關頻率給定的情況下，計算電感量為1mH，實際選擇3mH的電感，因此自己繞了個電感。TL494的穩壓原理若某種原因導致輸出電壓過高，則誤差放大器1同向端電位升高，反饋/PWM端電位上升，Q1管導通時間減少，占空比減少，結果輸出電壓減少。最終使輸出電壓保持穩

21、定，R7左端的點電壓為5V。為誤差放大器1的靜態放大倍數，影響控制精度。原理圖如下圖2-1-2所示：圖2-1-22.2單片機檢測電路的設計2.2.1單片機顯示電路的設計檢測電源的輸出功率我們使用新華龍的C8051F410單片機，CH452驅動數碼管顯示輸出功率。CH452對數碼管采用動態掃描驅動，順序為DIG0至DIG7，當其中一個引腳吸入電流時其他引腳不吸入電流。CH452內部具有電流驅動級，可以直接驅動0.5英寸至1英寸的共陰數碼管，段驅動引腳SEG6SEG0分別對應數碼管的段G段A，段驅動引腳SEG7對應數碼管的小數點，字驅動引腳DIG7DIG0分別連接數碼管的陰極。電路圖如下圖所示電路

22、如下圖2-2-1所示：圖2-2-1使用的C8051F410單片機的最小系統原理圖如下圖2-2-2所示：圖2-2-2單片機檢測輸出功率的流程圖如下圖2-2-3所示：LED數碼管顯示功率計算CH452電壓檢測電流檢測ce單片機初始化開始圖2-2-32.3電壓、電流檢測電路的設計電壓電流檢測電路如下圖2-3-1所示：圖2-3-1檢測點采樣到的電流信號經LM358進行放大輸出送給輸出端子送入單片機。電壓的采樣是在直流電源的輸出端子，采樣到的電壓信號經輸出端子也送到單片機，單片機收到的電流、電壓信號經過處理計算得到電源的輸出功率，送給數碼管顯示電源的實時功率。以下程序是單片機對收到的電壓、電流信號進行功

23、率運算，送給數碼管顯示的程序如下：adr1=(ADC(0X08)+adrl1*4)/5; /數字濾波（利用程序或算法，減少干擾信/在有用信號中的比重）adrl1=adr1;ads1=adr1*1223L; /（這是采集5.00V電壓用的標度變換值為1223）adj1=ads1/10000;adr2=(ADC(0X09)+adrl2*4)/5;adrl2=adr2;ads2=adr2*245L; /標度變換,（這是采集1.005V電壓用的標度變換式）adj2=ads2/10000;ad=(adj1*adj2);if(P2_0=0)dispbuff7=adj1/1000; /送顯示緩沖區 /32;

24、 此時顯示的/是功率dispbuff6=(adj1%1000)/100+0x10;dispbuff5=(adj1%100)/10;dispbuff4=(adj1%10)/1;else if(P2_1=0)dispbuff3=(adj2/100)+0x10;/+0x10是表示要加上小數點的顯示位dispbuff2=(adj2%10)/1;dispbuff1=(adj2%1)/10;dispbuff0=(adj2%1)/10;elsedispbuff7=32; /送顯示緩沖區 dispbuff6=29; / 29是表示要等號dispbuff5=(ad%100000)/10000+0x10;disp

25、buff4=(ad%10000)/1000;dispbuff3=(ad%1000)/100;dispbuff2=26;/(ads2%1000000)/100000;dispbuff1=26;/(ads2%100000)/10000;dispbuff0=26;/(ads2%1000)/100;DISPLAY(); /顯示AD轉換的結果3.系統調試1.用示波器觀察TL494的5腳有沒有鋸齒波，測出鋸齒波的頻率，約為23KHz。調占空比在TL494的3腳加03.3V的控制電壓，當最高電壓為3.3V時占空比為0，當電壓為0V時占空比最大。測量8腳、11腳觀察占空比的大小。2.測試TL494的5腳電壓為

26、5V，得知TL494的基準電壓為5V，調節輸入電壓，在8腳、11腳觀察輸出波形為可調節占空比的矩形波，說明TL494己經正常工作，順次向后檢測各點電壓，用萬用表觀察輸出電壓大小，如有故障，可進一步維修檢查，至到輸出電壓為5V為止。3.由于TL494的典型電路中的開關管是一個達林頓三極管，它正常工作的管壓降為1.4，無法達到使輸入5.5，使輸出5電壓，因此我們選用了IRF9540管作為開關管，使494能正常工作于開關狀態，輸出可調節占空比的矩形波。4.不斷調試自己所做直流穩壓電源，使輸出電壓能夠穩定到5左右。4.系統測試4.1測試使用的儀器測試使用的儀器設備如表所示。序號名稱數量備注1數字示波器

27、1深圳市安泰信電子有限公司2多組輸出直流電源供電器1固緯電子有限公司3數字萬用表1勝利德電子儀器有限公司4.2指標測試和測試結果4.2.1輸出電壓電流的測試對開關電源輸出的電壓電流進行測試，測試表如下：測試項目輸入電壓（V）實際輸出（V）輸出電流（A）備注輸出電壓電流74.981.07負載電阻為5104.981.07134.981.06154.981.06174.981.06234.981.07254.981.07測試結果如上表所示與要求輸出的5±0.05V電壓、1A的電流略有差異，這可能跟使用的測量儀表的精度有關，而且元器件本身的實際值與理論值也存在誤差。當輸入電壓在5.5V7V之

28、間變化時輸出電壓測試表格如下：輸入電壓（V）輸出電壓（V）測試指標5.54.72輸入電壓是5.57V 變化時，輸出電壓略有不穩現象。6.04.986.54.9874.98當輸入電壓在5.5V7V變化時，設計的開關電源的輸出也基本保持在5±0.05V，說明開關電源在低壓時也能輸出穩定的5V電壓。4.2.2電壓調整率的測試當輸入電壓在725V變化時電壓調整率如下表所示：測試項目輸入電壓（V）輸出電壓（V）電壓調整率電壓調整率Ui1=7 Ui2=25Uo1=4.98 Uo2=4.98SU=（Uo2-Uo1）/Uo1=0%電壓調整率定義為 Uo1是直流輸入電壓為7V時的輸出電壓，Uo2是直流輸入電壓為25V時的輸出電壓.經過測試電壓的調整率為0與題目設計要求的SU1%相符合。4.4.3負載調整率的測試直