电子科技大学第二届“NS”杯电子设计大赛报告简易数控恒压恒流电源摘要：本文介绍了数控直流开关电压电流源的原理和设计，整个系统以C8051单片机为控制器，以TL494来作为PWM输出芯片和IR2110作为MOS管的驱动芯片来作为系统的核心部件，我组设计并实现恒定输出10V电压，恒定输出1A，800mA ，500mA电流的要求。

整个电路系统简洁高效。

能够很好的完成题目所要求指标，并具有过流保护功能。

关键字：开关电源，单片机，数控，恒压恒流Abstract:A DC numerical control current and voltage source was introduced in this paper. In this article we introduce a theory of a DC current and voltage source and how to design. The system is made up of C8051 which play a role of microcontroller, and TL494 and IR2110 which play central parts of the system. And the whole system can output 10V voltage and 1A，500mA，800mA current。

This switch power supply can accomplish the requirements well. And It has the function of current-limiting and auto-resume。

Key words: Switch Power supply, C8051, Numerical –Control, Stable –Voltage and Current一、方案论证与比较1）主电路方案比较（恒压部分）主电路采用BUCK降压式电路，PWM芯片使用TL494，驱动芯片采用IR2110来驱动开关管。

BUCK电路结构不变，主要方案区别在于驱动电路。

（原理图见附录）方案一：此方案使用2110高端驱动，即用自举原理进行驱动，此方案的好处在于驱动电路简单，缺点在于其电源处于空载时不能测量电压，原因在于如果开关管的Vs与IR2110的Vcc电压差小于8.3伏时，其驱动芯片的栅极驱动自动关闭，所以可以通过提高2110的Vcc来增加与Vs使其工作，而2110工作在其临界最大电压处，容易损坏芯片，不利于电路的稳定性。

方案二：驱动电路采用两端同时输入的方法，即采用同步整流的技术来解决自举不工作的问题，其原理是，在MOS管后并联一个相同的整流MOS管，用2110低端输出来控制关断。

自举不能工作的原因在于其自举电容两端的压差在空载时不够大，那么当其足够大时就可以正常工作了。

我们将494输出地波形分为两路，一路直接进入驱动，一路经过反向进入2110的低端输入，这样就可以使其输出有两路，高端输出接主干路的MOS管，低端输出接整流管，这样由于二者的波形反向，当主干路的电路为低时，整流管导通接地。

这样就是自举电容的电压差增大，使得驱动工作。

运用同步整流技术可以很好的实现题目要求，还可以在一定程度上减小纹波。

可是，电路连接复杂，调试难度大，而且自己制作反向不容易达到同步的效果。

使得测试难度加大。

方案三：开关管采用P沟道，由于其是低导通，所以可以将494输出地方波反向直接送入2110驱动，采用低端输入，这样就可以避免自举的问题。

而且空载时也可以测量电压。

同时，该方案的外围电路设计比较简单可行，只需要在494输出时做一个反向器即可。

该电路的缺点就是由于采用P沟道的MOS管使得在管子上的损耗增大，可是由于本次题目的最大输出电流只有1A，所以功耗的损耗可以忽略不计。

方案四：驱动电路采用同步整流芯片TPS2836，这种芯片具有内部同步整流功能，驱动电路大，能够适应大电流的电路，但是由于此芯片的整流电压最大只能到16V，而变压器输出电压一般要高于10V，这样使芯片工作在最大临界下，使电路可调性降低，不利于电路的稳定。

方案采用：综上所述，由于方案三电路简单易行，能够很好满足本题的要求，所以我组决定采用方案三。

2）恒流部分方案一：运用仪表放大器来采集电压，使用INA122来进行设计，由于最大电流时1A，采样电阻采用0.1欧，进入仪放的电压是由0.1V左右，我们需要仪放输出5伏电压。

那么放大倍数在50倍左右。

可以实现横流的功能。

但是由于此仪放需要正负供电，增大电路的复杂性，不利用系统的稳定。

方案二：采用美国国家半导体公司的LMP8645高精度电压采样芯片，该芯片能够工作在-2—42V 的共模电压下，可以很好地满足本题目的要求，而且该芯片的外围电路简单。

设计方便，使用芯片能够简化电路，使电路的模块化提高。

方案采用：因此我组采用方案二。

3）AD 采样电路本组采用美国国家半导体公司的ADC121C021芯片，该芯片是12位高精度串行AD 芯片，并且具有多个寄存器，还具有过压警报功能。

AD 供电采用TL431来供电，可以使AD 的基准电压很精确。

4）辅助供电系统本组采用美国国家半导体公司的LMZ14023高效率开关电源芯片来为单片机系统和相关芯片供电，由于此芯片最大输出电压恰为5V ，3A 的电流输出能力，能够为单片机，AD ，DA 系统供电。

使得电路系统的模块化进一步加强。

二、系统设计原理与参数计算1）系统整体框图2)相关参数计算①TL494相关电路的计算及模块说明TL494的手册告诉我们整个电源的频率取决于TL494的5,6较所接的电容和电阻，其大小决定了开关电源的开关频率。

从TL494内部原理图知，其内部振荡器可以产生一个和开关频率相同的三角波，和VCC 进行比较，从而就可以产生一个方波，而三角波的频率就决定于5,6脚的电容和电阻大小，这里我们选取的是50K 的电阻和0.001uF的电容，根据计算公式，=可以得到一个频率约为20KHz 的震荡频率。

由于我们提供的供电电压是16V ，所以占空比大约为62.5%。

另外，为了使得输出电压不会因为突然上电产生的突变而对用电器损坏，我们设计了软启动（14脚和4脚之间）。

输出方面，我们采用集电极输出，这样可以得到更大的输出电流。

附录中给出原理图。

②，开关电源电容和电感大小计算根据本次题目要求，恒压时需要输出电压10V ，输入电压16.8V ，输出电流为1.3A(留出一点余地)，根据这些要求，可以根据电感的电气特性得到：-=+--==+⎰其中是电感流过的最大电流，是电感上的初始电流，这里可以取为零，占空比（D）约为0.58那么=然后=计算出的电感值大约为550uH。

现在计算电容值，假设纹波为40mV，根据电容的电气特性有∆==其中∆为电容电压在开关导通时电荷的变化量。

∆∆=∆是开关关断时的电容电压变化量。

由此可以求得电容的大小为=∆这只是理论计算，实际电路要取几倍于理论值大小的电容和电感。

其他模块说明：除了电路模块与驱动电路模块外，我们还增加了过流保护模块，主要原理是通过采样回单片机，通过单片机判断采样值是否大于临界值，如果大于，单片机则直接输出的基准电压使停止工作，从而达到过流保护的目的。

三、软件系统液晶的显示主要是时序的问题。

其次是键盘的扫描和DA的输出。

程序方面主要是通过对协议的理解从而使串行AD工作，在通过对DA的扫描和输出改变TL494的输入基准，使得能够改变输出电流。

同时通过单片机对采集回来的电流的判断，可以使系统知道是否过流，从而使单片机输出基准为0V，使得TL494 停止工作。

四、调试1)硬件调试硬件调试使用学生电源作为电源输入，芯片与单片机用LMZ14023芯片供电。

调试时运用先模块后整体的调试方法，一一排除了PWM电路模块，驱动电路模块，AD采样模块的电路问题，使得其模块均可以正常工作。

最后将所有硬件模块联调，解决了一些问题。

此外，此题目无论对于控制电压输出还是A/D采样回路要求都很高，其稳定性、精度直接影响最终结果。

我们采取了一些抗干扰措施。

例如反馈尽量短，减少交叉，每个芯片的电源与地之间都接有滤波电容，控制回路与输出回路分离，输出与地紧靠，控制地与输出地相连等措施来减少干扰。

实践证明，这些措施对消除某些引脚上的“毛刺”及高频噪声起到了很好的效果。

2）软件调试由于使用51单片机进行编程，所以我们采用软件仿真加模拟的方法，由于软件调试比较复杂。

我们先用软仿真排除语法差错和逻辑差错，然后通过开发板下载到单片机来调试。

采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试。

3）软硬联调该系统无论输出幅度控制还是采样分析都存在软件和硬件的紧密联系。

软硬件都调试通过后，整个系统连接仍会存在很多麻烦。

本小组先调试反馈系统，最后再看AD采样的结果，并做相应校正。

五、测试测试仪器：泰克数字示波器，UT330数字万用表，学生用稳压电源测试指标：10V恒压源与其纹波的大小测试环境：室温26℃指标测试：1）稳压测试：运用学生用稳压电源来调节不同输入电压，用万用表测量输出电压值，结果测试条件：输入电压16.8V，输出电压10.04V，负载10欧姆测试方法：为了减少纹波，用示波器的案头与接地环之间进行测试，这样减少了示波器带来的信号干扰，减少了纹波。

将示波器选在测量交流信号功能下，通过检测发现电流为0.997A时纹波电压大约为40mV左右，满足题目小于100mV的要求。

效率测量：效率为：η==测试说明：由于时间和能力有限，我组没有完成恒流部分的设计任务，所以只提供恒压部分的测试数据。

六、误差分析及改进电源效率方面：由于对知识的理解程度不够及技术的匮乏，本系统最好使用N沟道MOS管来做开关管（因为N沟道MOS管内阻较小），同时运用同步整流技术，这样可以减少续流二极管上的的功率损耗甚至可以去掉续流二极管，当然还应该使用软开关技术，这样可以使电源的效率进一步提高。

当但是这次功率小用N管P管差别不大，用上述技术效果不明显，却增加成本。

所以最后选择这个结构。

纹波方面：由于开关电源易受干扰，虽然我组先后尝试运用多级滤波器，增加滤波电容等方法，发现纹波值仍然没有显著地改变。

我组认为，纹波的消减与电路的布局有很大关系，电路的布线越简单，交叉点越少，纹波越小。

同时，电源控制回路不能包含在功率回路中。

虽然本组做到了上述要求，可是由于电路板布线稍显混乱，导致干扰信号增强，因此在这个方面还需再下功夫。

在以后的制作中，应该尽量使电路简单清晰，同时控制地与功率地应该相连，将控制回路的干扰信号送到地中。

这样使电源的纹波进一步的减小。