2015年全国大学生电子设计竞赛(LED闪光灯电源)(2).doc

/ 201*年全国大学生电子设计竞赛 LED闪光灯电源（H题） 【高职高专组】 参赛学生： 指导老师： 201*年8月16日 目 录 摘要 3 第一章 系统方案论证 4 1.1电源变换方案论证 4 1.2显示方案论证 5 第二章 理论分析与计算 6 2.1效率提高的分析 6 2.2效率计算 6 第三章 电路与程序设计 7 3.1电源总体系统方案设计 7 3.2单元电路设计 7 3.2.1 XL6009开关电源升压单元电路 7 3.2.2 MC34063无外接三极管的降压变换电路 7 3.2.3 过压报警单元电路 8 3.2.4 升降压转换电路 8 3.2.5 电流检测电路 8 3.2.6 设定电路 9 3.2程序流程图 9 第四章 测试方案与测试结果 11 4.1调试方法与仪器 11 4.2测试结果分析 11 4.2.1 基本功能测试 11 4.2.2 扩展功能测试 11 4.2.3 测试结果分析 12 附录 13 附录1 主电路板电路原理图 13 附录2 元器件清单 14 附录3 部分程序清单 14 摘要 该电源采用由升/降压转换模块（核心部件为XL6009和MC34063芯片）、电流检测模块（运放OP295）、升降压切换模块、显示与报警模块、MCU系统组成。该电源能实现连续输出或脉动输出两种模式。该电源能够实现要求的恒流输出，并达到要求的电流相对误差和效率。当输出电压高于10.5V时发出蜂鸣报警。在脉动输出时，脉冲周期在10、30、100ms三档时，脉冲占空比为1∕3，相对误差小于2%。通过数码管对当前恒流输出的模式进行显示。 关键词：升降压电路；电流检测；升降压转换电路；AT89S52单片机；过压报警 第一章 系统方案论证 1.1电源变换方案论证 通过分析题目任务与要求，将3.0～3.6V的直流电转换为稳定的直流电源，即实现直流-直流电压的变换。 方案一：Boost电源变换方案 Boost电源转换方案如图1-1所示。其工作原理：由控制器发出的脉冲调制（PWM）信号控制三极管的通断，输出电压由PWM占空比决定。通过对负载电阻两端的电流进行采样，将输出反馈到控制器的PWM，来控制输出电压和输出电流。 图1-1 Boost电源变换框图 假设在时三极管导通，则通过电感L的电流增加部分满足式（1-1），稳定工作时，导通期间电感电流的增加等于关断期间电感电流的减少。 （1-1） 其中：为三极管导通时的压降和电流采样电阻上的压降之和，为电感两端的电压。 方案二：变压器电源转换方案 该方案采用变压器进行升压，通过对负载电流进行采样，将采样电流反馈到控制器中，控制器通过改变PWM波对负载电流进行调节，达到恒流输出的目的，其方框图如图1-2所示。 图1-2 逆变器电源转换框图 从以上两种方案中，选用方案一。由于采用方案一获得的负载输出电压在低于3V时，不能实现恒流输出。为了更好的达到恒流输出的目的，加入一个降压模块，保证负载电压低于3V时，电流恒定输出。因此，通过结合方案一可以得到电源变换的总体框图如图1-3所示。 图1-3 升压/降压电源变换 1.2显示方案论证 方案一：数码管显示论证 数码管显示均是由八个发光二极管组成的。数码管消耗电力比液晶多一点，数码管显示更加清晰，更加适合在白天等强光条件下显示。 方案二：液晶屏显示论证 液晶显示极其省电，但是使用有温度范围限制，且因是反光式的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。 以上两种方案中，采用方案一能够显示更加清晰。 第二章 理论分析与计算 2.1效率提高的分析 方法一：使用开关电源 直流稳压电源分为线性电源和开关电源。线性电源的调整管工作在放大状态，因而热量大，效率低（35%左右），需要加体积庞大的散热片。开关电源的调整管工作在饱和截至状态，因而发热量小，效率高（75％以上），而且省掉了大体积的变压器。因此，选用开关电源能够提高电源的效率。 方法二：提高开关频率 开关频率越低，绕组为获得同样感抗所需的圈数就越多，导线电阻越大，于是损耗也就越大，提高开关频率能够减少损耗，使开关电源效率提高。 方法三：采用低功耗器件 滤波电容的损耗，续流二极管的损耗，均与频率正相关。电感的磁损跟磁性材料的特性有关，跟频率和磁通密度正相关。因此选用低功耗的元器件能够有效的提高效率。 2.2效率计算 根据测量得到Uin和Iin和Uout，和Iout，单片机根据效率计算公式计算瞬时功率。 （2-1） 第三章 电路与程序设计 3.1电源总体系统方案设计 综合上述的方案设计，得到电源总体系统方案如图3-1所示。该系统由升压电源模块、降压电源模块、过压报警电路模块、电压检测和电流检测模块以及键盘操作的设定电流组成。 图3-1 系统总体框图 3.2单元电路设计 3.2.1 XL6009开关电源升压单元电路 该电源由XL6009芯片及外围器件组成，如图3-2所示。根据电压检测获得采样电阻两端的采样电压，将其与基准电压1.25V进行比较，通过使采样电阻两端的电压稳定，来实现电源的恒流输出。该模块达到了电源输入电压3~3.6V，续输出模式输出电流为100、150、200mA三档时，最高输出电压不低于10V，最低输出电压为0V(输出短路) 的性能指标要求。 图3-2 XL6009开关电源升压单元电路 3.2.2 MC34063无外接三极管的降压变换电路 由于XL6009开关电源升压电路在负载电压低于3V时，系统达不到恒流输出，因此通过设计一个降压电路实现当负载低于3V时处于恒流输出状态。此方案将10V的直流电压输入到MC34063进行线性变换，并通过自身的开关管使得输出符合要求，降压电路如图3-3所示。 图3-3无外接三极管的降压变换电路 3.2.3 过压报警单元电路 该电路将负载电压OUT+进行分压之后，与稳压器LM317的2脚基准电压经LM358进行比较，如果电压高于10.5V，发出报警信号，以此实现过压报警功能。过压报警电路如图3-4所示。 图3-4过压报警单元电路 3.2.4 升降压转换电路 该电路是将负载电压OUT+进行分压之后与稳压器LM317的基准电压1.24V经运放LM358进行比较，来实现当负载电压低于3V时切换到降压电路模块输出电压，当负载电压高于3V系统将切换到升压电路模块输出电压，以保证系统一直处于恒流输出的状态，其转换电路如图3-5所示。 图3-5升降压转换单元电路 3.2.5 电流检测电路 通过对输出电流进行采用采样，将采用电流经过由集成运放OP295构成的差分放大电路放大，将放大后的误差值反馈到升压模块的XL6009或降压模块的MC34063，通过调节脉宽调制波PWM的占空比来达到系统要求的恒流输出，并满足在规定的输入电压和输出电压范围内，输出电流相对误差小于2%这一项要求。电流检测电路如图3-6 图3-6电流检测单元电路 3.2.6设定电路 设定电路采用键盘操作。具体控制逻辑如表3-1所示。 表3-1 控制逻辑表 模式 Output Input 初始状态 MCU-K1 MCU-K2 MCU-K3 MCU-MD MCU-baojin MCU-in 0 0 1 1 输出模式 100Am 0 1 当MCU-in为1时，MCU-K3为0；当MCU-in为1时，MCU-K3=0 0 输出大于10.5V，MCU-baojin=0，报警 输出大于3V，MCU-in=1；输出小于3V，MCU-in为0 150Am 1 1 0 200Am 0 0 0 连续模式 300Am 0 1 0 脉冲周期分为三种，脉冲数可调 不报警 不采样 450Am 1 1 0 600Am 0 0 0 3.2程序流程图 主程序通过对系统初始化之后，从单片机AT89S52的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3 接口（分别对应电流档位切换、脉冲周期设置、脉冲串设置、脉冲输出处理）获得按键输入信息，通过按键函数显示输出当前时间的工作状态，具体程序流程图如图3-7所示。 图3-7 系统程序流程图 第四章 测试方案与测试结果 4.1调试方法与仪器 调试方法： 不通电测试：在焊接好连线后，需要对电路进行检查。检查是保证电路正常工作必不可少的步骤。检查的主要内容包括元器件的参数、极性是否正确，走线是否正确、合理，焊点是否良好等。电路静态检查无误后，就可通电进行调试。 通电测试：接通电源，按照题目的设计要求，进行电流相对误差率、电源效率、占空比、和过压报警功能的测试。 调试仪器：示波器、万用表、两路路稳压稳流电源、负载电阻、LCR测试仪。 4.2测试结果分析 4.2.1 基本功能测试 （1）连续输出模式下100、150、200mA三档，获得的最高输出电压和最低输出电压如表4-1 所示。 表4-1 不同电流档位下的最高输出电压和最低输出电压 电流档位 最高输出电压 最低输出电压 100mA 150mA 200mA （2）连续输出模式，输入电压3.6V，负载为3A/200的滑动变阻器，得到电流测试值和误差数据如表4-2所示。 表4-2 不同电流档位的电流测试值数据 电流档位 各种输出电压条件下的电流测试值 最大误差 10V 8V 6V 4V 2V 0V 100mA 150mA 200mA （3）输出电压值达到10.5V时，系统蜂鸣报警。 （4）在规定的输入电压和输出电压范围内，输出电流相对误差测试数据如表4-3所示。 表4-3 输出电流相对误差测试数据 输出电流 输出电压 输入电压 输入电流 效率 4.2.2 扩展功能测试 （1）输入电压3.6V，负载10，周期为10ms时，获得不同档位的输出占空比、相对误差和输出电流测试数据如表4-4所示。 表4-4 不同档位的输出占空比、输出电流数据 输出电流档位 占空比 误差 输出最大电流 电流相对误差 输出最小电流 300mA 450mA 600mA （2）输入电压3.6V，负载10，周期为10ms、30ms、100ms时，获得三个电流档位的上升时间、下降时间、电流过冲量和误差数据如表4-5所示。 表4-5 三个周期下不同档位的上升时间、下降时间、电流过冲量和误差数据 周期 上升时间 下降时间 电流过冲量 误差 10ms 300mA 450mA 600mA 30ms 300mA 450mA 600mA 100ms 300mA 450mA 600mA （3）输出脉冲个数1到5个和连续的脉冲串，测试结果如表4-6所示。 表4-6 测试结果 输出脉冲个数 1 2 3 4 5 连续脉冲串 实现情况 已实现 已实现 已实现 已实现 已实现 已实现 4.2.3 测试结果分析 该LED闪光灯电源实现了题目的基本功能的要求，同时，完成了题目发挥部分的扩展功能。 附录 附录1 主电路板电路原理图 附录2 元器件清单 型号 元器件名称 XL6009 升压芯片 MC34063 芯片 OP295 运算放大器 IN4148 开关二极管 IN5819、IN5824 肖特基二极管 LM317 可控精密稳压源 LM358 双运算放大器 8050 三极管 100、1k、3k、4.7k、10k、20k、25k、30k、50k 电阻 100u、103、104、470u 电容 22u 电感 K1、K2、K3、K4 继电器 附录3 部分程序清单