瑞薩杯電子設計競賽設計報告

1、瑞薩杯2013全國電子設計競賽設計報告單相ac-dc 變換電路（a題）【本科組】摘要 ：本設計是基于被廣泛應用在小功率及各種電子設備領域的開關電源而設計的直流供電電路。通過變壓器將220v的單相工頻交流電源降為24v，再經(jīng)由ac-dc變換電路、boost電路升壓，最后輸出穩(wěn)定的36v直流電壓向負載供電，并在此基礎上，實現(xiàn)輸出電流在0.2a2.0a的范圍內連續(xù)變化。此外當電源電壓在20v30v的范圍內發(fā)生波動時，能夠保持輸出電壓基本不變。除了實現(xiàn)以上基本功能外，還對電路進行了過流保護。 關鍵詞： 開關電源 ac-dc變換電路 boost電路 穩(wěn)壓abstract：this design is b

2、ased on the low-power switch powers and those widely applied to all kinds of electronic devices to drive dc circuit .the 220v one-phase ac power is lowered to 24v with a transformer ,rectified with a ac-dc circuit ,then pulled up with a boost circuit to output permanent 36v dc voltage providing powe

3、r for load resistance,and on this circumstances,realizing that the output current can consistently change within the range of 0.2a to 2.0a.besides,the output voltage should stay basically unchanged when the source voltage comes to fluctuating between 20v30v.this circuit is ensured with over-current

4、protection as well beside the basic functions as mentioned before. keywords：switch power, ac-dc converting circuit , boost circuit , stabilivolt 目錄1.設計任務與要求31.1設計任務(見附1)31.2設計要求(見附1)31.3題目分析32.方案的比較與論證32.1主電路方案的提出比較與選擇32.2方案選擇：42.3方案論證：52.4具體方案的確立53.系統(tǒng)硬件設計與元器件選擇63.1系統(tǒng)的總體設計63.2 各個電路模塊的設計64.系統(tǒng)軟件設計104.

5、1程序總體流程圖114.2功能模塊的流程圖125.系統(tǒng)測試125.1系統(tǒng)調試的方案（方法）125.2系統(tǒng)測試儀器125.3測試結果136.系統(tǒng)電路存在的不足和改進的方向與結論147.附錄157.1 附錄1 設計任務157.2 附錄2 主電路原理圖167.3 附錄3 部分程序清單177.4 附錄4 元器件清單227.5 附錄5 參考文獻221.設計任務與要求1.1設計任務(見附1)1.2設計要求(見附1)1.3題目分析開關電源電路是電力電子電路中的一種，被廣泛應用在小功率及各種電子設備領域，顧名思義，開關電源就是電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)的電源，對于ac/dc電路，主要控制對象是電壓和電

6、流。本題目要求通過變壓器和ac-dc變換電路實現(xiàn)將單相工頻交流電轉換為穩(wěn)定在36v的直流電壓輸出。題目難點是在保證輸出電壓基本不變的前提下實現(xiàn)輸出電流在一定的范圍內變化，以及輸入端電壓在一定范圍內波動時，保證輸出電壓穩(wěn)定。2.方案的比較與論證2.1主電路方案的提出比較與選擇方案一:圖1 單相全橋電路直接采用單相全橋pwm控制電路。如圖1所示，在整流運行狀態(tài)下，當us0時，有v2，vd4，vd1，ls和v3，vd1，vd4，ls分別組成了兩個升壓斬波電路。以包含v2的升壓斬波電路為例，當v2導通時，us通過v2，vd4向ls儲能，當v2關斷時，ls中儲存的能量通過vd1，vd4向直流側電容c充電

7、。當us0時類似。因為電路按升壓斬波電路工作，所以如果控制不當，直流側電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對電力半導體器件形成威脅。可以看出電壓型pwm整流電路是升壓型整流電路，滿足題目要求。將輸出電壓采集回dsp比較后根據(jù)比較結果調節(jié)其pwm控制以使輸出電壓維持穩(wěn)定。方案二：經(jīng)過二極管整流橋將24v正弦波整流，然后經(jīng)由boost電路升壓到36v，主電路流程圖如下：圖2方案二流程圖通過對負載的電壓電流的采集，送到主控芯片，經(jīng)過pid調節(jié)算法達到輸出合適的pwm波，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使電壓電流達到額定。122.12.2方案選擇：方案一中程序設計復雜，需要用到四路pwm波形來控制開關管，輸出電壓計算

8、不方便控制難度大。由于其電路即可升壓也可降壓，控制不當即可引起器件的損壞，難度大。對于間接電流控制動態(tài)性能差，而直接電流控制結構比較繁瑣。方案二電路結構簡單，原理清晰，易于控制所以選擇方案二。2.3方案論證：圖3 主電路原理圖本系統(tǒng)是由一個變壓器變壓之后串聯(lián)由二極管構成整流電路，再串聯(lián)boost電路后接負載，通過控制pwm波的占空比即可控制負載的電壓達到基本要求 。由boost電路公式，在電流連續(xù)下vout=1/(1-a)*vin,(注：a為pwm波的占空比)，可見只要選擇合適的占空比的pwm波，就可以得到想要結果，在經(jīng)過pid閉環(huán)調節(jié)，就可以進行精確的控制。2.4具體方案的確立 根據(jù)選定的主

9、電路方案，設計本系統(tǒng)的功能圖模塊，如下： 圖4 系統(tǒng)整體流程針對本系統(tǒng)，進行分模塊的設計，選用合適的方案。3.系統(tǒng)硬件設計與元器件選擇3.1系統(tǒng)的總體設計設計思想：本系統(tǒng)是ac-dc的變換電路，有很廣泛的應用，對認識和掌握ac-dc的相電路有很大意義?？芍苯咏尤牍ゎl電源的穩(wěn)壓供電盡量采用簡潔可靠的軟硬件環(huán)境，程序流程力求簡單明了，從而充分利用現(xiàn)有資源，提高系統(tǒng)開發(fā)水平。 系統(tǒng)硬件電路模塊化，便于硬件測試和電路查詢。系統(tǒng)程序設計模塊化，便于系統(tǒng)功能的各種組合和修改。設計步驟：1.分析系統(tǒng)要求，題目要求將220v交流電經(jīng)變壓器變壓后經(jīng)過電路輸出36v電壓，所以主電路應該包括整流模塊與電壓變換模塊。

10、2.由于要求輸出電壓在負載變化時基本保持不變，在輸入電壓變化時也基本保持不變，故引入測量反饋電路。通過電壓傳感器和電流傳感器對輸出電壓電流檢測，經(jīng)過主控芯片將輸出采樣的電壓與36v比較根據(jù)比較結果來控制boost電路，以此來使輸出電壓穩(wěn)定。3.由于要求額定電流2a，所以電路要有保護電路裝置。設計合適的保護電路，4.主控芯片，各種傳感器，和各種芯片需要供電電源，但是由于要求中并沒有提供所以要從提供的24v交流源獲取所需的電源，要設計合適的電源模塊。3.2 各個電路模塊的設計整流模塊：為盡量是控制簡單化，整流模塊直接采用不可控的二極管來整流。減輕了主控的的負擔。 圖5 整流電路模塊boost電路模

11、塊：圖6 boost電路模塊在電流連續(xù)的情況下有下式：，其中=24v為了使電流連續(xù)并獲得較好的效果，boost電路的參數(shù)選取如下：l1=700uh,c2=330vf驅動模塊驅動mosfet電壓需要15v左右，而主控芯片的輸出電壓達不到，為了能成功驅動mosfet需要加裝驅動電路來對輸出電壓進行放大。由于集成芯片的性能良好，設計更加優(yōu)良，而且有輸入輸出隔離比較適合使用，綜合考慮選用a3120。該芯片是專門的igbt的驅動芯片，芯片內部具有光電隔離，對輸入和輸出有隔離作用，這樣不會對錢電路有影響。驅動模塊的設計原理圖如下：圖7 驅動電路原理圖輔助電源模塊：由于芯片的工作需要直流電源，但是并沒有提供

12、可用的直流源，所以購買成品電源模塊，直接從220v電源出獲取，以便讓芯片正常工作。選用220v轉直流模塊jsj55-a2t0515，提供穩(wěn)定的直流供給芯片，使得芯片正常工作。過流保護：方案一用熔斷絲，當電流多大熔斷保護電路。但是要求過流2.5a0.3a時過流保護，熔斷絲不能達到精確要求。方案不可用。方案二采用三極管的開關特性，用耐流大的三極管接到主電路，主控電路上電初始化將三極管導通使電路接通，當監(jiān)測到過流主控發(fā)出信號將三極管關斷，使之達到保護的作用。方案有可行行。 方案三在方案二的基礎上改進，采用繼電器jw2sn-dc12v。將常閉開關接入主電路，繼電器電源正端經(jīng)三極管后接入地端，三極管基極

13、接入主控芯片i/o口，主控芯片上電復位初始化使三極管處于關斷狀態(tài)，繼電器不動作，主控芯片實時監(jiān)測當前流過負載的電流，判斷是否有過流，一旦過流，主控芯片使i/o電平變化導通三極管，使得繼電器動作，將常閉開關斷開，從而切斷主電路，達到過流保護的作用。方案的可行性高，即可采用，過流保護的電路原理如如下： 圖8 過流保護原理圖功率因數(shù)調整電路：通過電壓和電流傳感器采集電源側電壓，負載側電流，用編程方法計算相位差，經(jīng)由pid調節(jié)，控制pwm占空比，實現(xiàn)功率因數(shù)的調整。原理圖如下：圖9 功率因數(shù)矯正的仿真原理圖電壓電流測量電路：對于輸出負載與輸入的電壓電流測量采用電壓傳感器vsm025a與電流傳感器csm

14、005a。傳感模塊的引腳圖如下：圖10 vsm025a引腳圖圖11 csm005a 傳感器引腳圖對于vsm025a是，將輸出端m接到adc采樣，通過算法轉換即可得到當前負載電壓。對于csm005a，使用其匝數(shù)比5:1000，原邊額定輸入5a，副邊額定輸出25ma，由于adc采集的是電壓信號，所以需要在其輸出端接100電阻到地，然后將輸出端m送到adc采樣，通過算法將當前的電流計算出來。由于不希望傳感器輸出的信號受到后級電路的影響，需要對信號進行隔離，可采用運放接成信號跟隨器，將信號進行隔離，運放可采用具有雙運放的lm358，隔離電路原理圖如下：主電路設計由于將電路已經(jīng)模塊化，系統(tǒng)的組成即是各個

15、模塊的拼接，主電路即為負責進行電壓的變換。整個系統(tǒng)的綜合設計圖 系統(tǒng)原理圖見附錄2. 提高效率的方法1. 盡量選用低開關損耗的開關管；2. pwm波的頻率要用合適的頻率，太高在開關管上就會造成損耗加大；3. 整流橋要用壓降小的二極管；4. 電路設計要合理不要冗余；5. 提高功率因數(shù)，減小電源側無功功率；6. 其他方法等。4.系統(tǒng)軟件設計tms320f2812是ti公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點dsp芯片。該芯片兼容tms320lf2407指令系統(tǒng)最高可在150mhz主頻下工作，并帶有18k8位0等待周期片上sram和128k16位片上flash（存取時間36ns）。其

16、片上外設主要包括28路12位adc（最快80ns轉換時間）、帶有兩個事件管理模塊（eva、evb），分別包括6路pwm/cwm、2路qep、3路cap、2路16位定時器（或tpwm/tcmp）。另外，該器件還有3個獨立的32位cpu定時器，以及多達56個獨立編程的gpio引腳tms320f2812采用哈佛總線結構，具有密碼保護機制，可進行雙1616乘加和3232乘加操作，因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能。由于dsp2812芯片內部有12位的adc，還有eva，evb分別具有6路pwm輸出，省去了要用額外adc和pwm發(fā)生芯片，使得系統(tǒng)得以簡化，減少工作量，是系統(tǒng)可靠性得到增加，所以選擇該芯片

17、作為電路的主控是很好的選擇。 4.1程序總體流程圖 程序主要目的是根據(jù)采樣的電壓電流計算功率因數(shù)，調節(jié)輸出電壓。題目要求輸出在負載調節(jié)時和輸入變化時保持穩(wěn)定，同時也要保證整個電路的效率和功率因數(shù)。在整個實驗過程中只有調節(jié)負載時和調節(jié)輸入電壓時可以手動調節(jié)，所以設置如下的程序流程：4.2功能模塊的流程圖 功率因數(shù)測量模塊 過流保護模塊5.系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)調試的方案（方法）由于系統(tǒng)對電路效率有一定的要求，所以需要測量ac/dc輸入端、輸出端電壓、電流來計算功率因數(shù)與效率。測試采取直接測量負載端和變壓器副邊的電壓電流。5.2系統(tǒng)測試儀器輸出電壓測試和輸出波形紋波測試采用模擬示波器 型號ds1052

18、d電源提供采用工頻220v直接接入單相電參數(shù)測量儀5.3測試結果(1)系統(tǒng)額定工作狀態(tài)調節(jié)輸入電壓至，調節(jié)負載電阻使輸出直流電流至.輸出直流電壓值為 vout=36.1v輸出電流值為 iout=2a(2)負載變化時的工作狀態(tài)在輸入電壓保持時，調節(jié)負載使輸出電流在0.2a2.0a變化，每變動0.2a測量一次，同時計算每次的負載調整率。負載調整率的計算公式,其中 為時的直流輸出電壓，為時的直流輸出電壓。vin/vvout/viout/a電壓調整率24v35.880.20.362%35.940.635.95135.961.435.991.836.012通過多次測量在時，即使負載變化使輸出電流在0.2

19、a2.0a變化輸出電壓變化也很小。(3)ac/dc模塊輸入電壓變化時的工作狀態(tài)負載穩(wěn)定即輸出電流時，通過改變自耦變壓器來改變輸入電壓使其在20v30v的范圍內變化，每變動1v取一個測量點，同時計算電壓調整率。電壓調整率,為時的直流輸出電壓，為時的直流輸出電壓。vin/vvout/v iout/a負載調整率2035.9620.417%2235.9822436.0122636.0522836.1023036.112 通過多次測量在時，輸入電壓在20v30v變動時輸出電壓浮動不大，效果較為理想。 (4)過流保護電路測試 使輸出電壓穩(wěn)定在36v，緩慢減小負載電阻，使得電流加大，測試出保護電路動作時的電

20、流。測試次數(shù)動作電流/a12.3522.3332.36(5)功率因數(shù)測量 通過使用單相電參數(shù)測量儀可測電源側的功率因數(shù)，測試結果如下：測試次數(shù)功率因數(shù)10.720.6530.7140.7450.69可見功率因數(shù)較低，6.系統(tǒng)電路存在的不足和改進的方向與結論 電路存在的不足 1.由于電路的負載要流過2a的電流，所以主回路上的元器件在選取上藥特別考慮其耐流性能。由于選擇的不當，在實驗過程中，有元件燒毀的現(xiàn)象。有的原件也處在臨界工作狀態(tài)，對電路的穩(wěn)定性有較大的影響。2.功率因數(shù)校正的電路并沒達到理想效果，交流側的功率因數(shù)較低，可能與功率因數(shù)的調節(jié)只是從程序上調節(jié)，可能由于pid環(huán)節(jié)的各個參數(shù)設置不合

21、理。改進方向1充分考慮每個元件的性能選擇合適的元件，減少不必要的浪費2針對功率因數(shù)較低，應該合理設置pid參數(shù)，還要從硬件上設計出合適的功率因數(shù)調節(jié)電路，從軟硬件上共同調整功率因數(shù)。7.附錄 7.1 附錄1 設計任務 一、任務 設計并制作如圖1所示的單相ac-dc變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36v，輸出電流額定值為2a。 二、要求 1. 基本要求 （1）在輸入交流電壓us=24v、輸出直流電流io=2a 條件下，使輸出直流電壓uo=36v0.1v。 （2）當us=24v，io 在0.2a2.0a 范圍內變化時，負載調整率si 0.5%。 （3）當io=2a，us 在20v30v 范圍內變化時，

22、電壓調整率su 0.5%。 （4）設計并制作功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)ac-dc 變換電路輸入側功率因數(shù)的測量，測量誤差絕對值不大于0.03。 （5）具有輸出過流保護功能，動作電流為2.5a0.2a。2. 發(fā)揮部分 （1）實現(xiàn)功率因數(shù)校正，在us=24v，io=2a，uo=36v 條件下，使ac-dc 變換電路交流輸入側功率因數(shù)不低于0.98。 （2）在us=24v，io=2a，uo=36v 條件下，使ac-dc 變換電路效率不低于95%。 （3）能夠根據(jù)設定自動調整功率因數(shù)，功率因數(shù)調整范圍不小于0.801.00，穩(wěn)態(tài)誤差絕對值不大于0.03。 （4）其他。7.2 附錄2 主電路原理圖7.3 附

23、錄3 部分程序清單主程序清單：void main(void) /電壓環(huán)參數(shù) ref = 36; pid_udc.ref = _iq(ref); pid_udc.kp = _iq(0.5); /g=kp+ki/s pid_udc.ki = _iq(0.05); pid_udc.err_max = _iq(4); pid_udc.up = _iq(0); pid_udc.ui = _iq(0); pid_udc.outmin = _iq(0); pid_udc.outmax = _iq(4);/電流環(huán)參數(shù) pid_idc.kp = _iq(0.4); /g=kp+ki/s pid_idc.ki =

24、 _iq(0.238); pid_idc.err_max = _iq(0.3); pid_idc.up = _iq(0); pid_idc.ui = _iq(0); pid_idc.outmin =_iq(0.01); pid_idc.outmax =_iq(0.9); / initialize system control:/ pll, watchdog, enable peripheral clocks initsysctrl(); / for this example, set hspclk to sysclkout / 6 (25mhz assuming 150mhz sysclkou

25、t) eallow; sysctrlregs.hispcp.all = 0x3; / hspclk = sysclkout/6 edis;/ clear all interrupts and initialize pie vector table:/ disable cpu interrupts dint;/ initialize pie control registers to their default state. initpiectrl();/ disable cpu interrupts and clear all cpu interrupt flags: ier = 0x0000;

26、 ifr = 0x0000;/ initialize the pie vector table with pointers to the shell interrupt initpievecttable(); initgpio();/ enable pwm pins eallow; gpiomuxregs.gpamux.all = 0x0003; / eva pwm 1-2 pins cap1 gpiomuxregs.gpadir.bit.gpioa3 = 1;/pwm3口工作在i/o輸出狀態(tài) gpiodataregs.gpadat.bit.gpioa3 = 0;/pwm3口輸出低電平 edi

27、s; initadc();/定義中斷入口 eallow; pievecttable.adcint = &adc_isr;/ad轉換完成中斷 edis;/開中斷 piectrlregs.pieier1.bit.intx6 = 1;/enable adcint ier |= m_int1; / enable cpu interrupt 1 eint;/ enable global interrupt intm ertm;/ initialize all the device peripherals/configure adc adcregs.adcmaxconv.all = 0x0002; / s

28、etup 2 convs on seq1 adcregs.adcchselseq1.bit.conv00 = 0x0; / setup adcina0(j6s adcin00) as 1st seq1 conv./輸出電壓 adcregs.adcchselseq1.bit.conv01 = 0x2; / setup adcina2(j6s adcin01) as 1st seq1 conv./電感電流 adcregs.adcchselseq1.bit.conv02 = 0x4; / setup adcina4(j6s adcin01) as 1st seq1 conv./輸入電壓 adcreg

29、s.adcchselseq1.bit.conv03 = 0x6; / setup adcina6(j6s adcin01) as 1st seq1 conv./輸出電流 adcregs.adctrl2.bit.eva_soc_seq1 = 1; / enable evasoc to start seq1 adcregs.adctrl2.bit.int_ena_seq1 = 1; / enable seq1 interrupt (every eos)/ configure eva/ assumes eva clock is already enabled in initsysctrl();/ i

30、nitalize eva timer1 evaregs.t1pr = 0x0270; / timer1 period(2*624)-20khz) evaregs.t1cmpr = 0x0000; / timer1 compare evaregs.t1cnt = 0x0000; / timer1 counter evaregs.gptcona.bit.t1toadc = 1; / enable evasoc in eva (setting of underflow interrupt flag starts adc)/ tmode = continuous up/down/ timer enab

31、le/ timer compare enable evaregs.t1con.all = 0x0842; / enable timer 1 compare / enable compare for pwm1-pwm6(pwm1控制電壓.pwm3控制電流) evaregs.cmpr1 = 0x0138;/ compare action control. action that takes place/ on a cmpare event/ output pin 1 cmpr1 - active high/ output pin 2 cmpr1 - active low/ output pin 3

32、 cmpr2 - active high/ output pin 4 cmpr2 - active low/ output pin 5 cmpr3 - active high/ output pin 6 cmpr3 - active low evaregs.actra.all = 0x0666; evaregs.dbtcona.all = 0x0000; / disable deadband evaregs.comcona.all = 0x8600;/t1cnt=0時賦比較值 for(;) if(stop_f = 1) eallow; gpiodataregs.gpaset.bit.gpioa

33、3 = 1;/pwm3口輸出高電平 edis; interrupt void adc_isr(void) voltage_h = adcregs.adcresult04 ;/輸出電壓 current_q = adcregs.adcresult14 ;/電感電流 v_in = adcregs.adcresult24 ;/輸入電壓 i_out = adcregs.adcresult34 ;/輸出電流 /*if(i_out 0xfff) stop_f = 1; */ /voltage*2.94/(212)*(215)*15.54;縮小10倍，之后累加10次 vo += _iqmpy(voltage_h, _iq(35);/vo=0.1