单片机控制DC-DC变换器开题报告.doc

毕业设计(论文)

开 题 报 告

题 目 单片机控制DC-DC变换器

学 院 电气与控制工程学院

专业及班级 微电子学0901班

姓 名 成 中 立

指 导 教 师 唐 丽 丽

日 期 2013年3月20日

西安科技大学毕业设计(论文)开题报告
题 目
单片机控制DC-DC变换器
选题类型
应用型
一、选题依据
国内外研究现状：
DC-DC变换器是将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换，也称直流斩波。它在电子技术领域中的应用非常广泛从八十年代末起,为了缩小DC-DC变换器的体积，提高功率密度，设计者大幅度提高了开关电源的工作频率，虽然这种结果确实是很大程度上缩小了体积，却降低了效率。因为体积缩小发热增多。就难过高温关。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加。因此工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。在DC/DC业界，应该说，软开关技术的开发、试验、直到用于工程实践，费力不小，但收效却不是太大。花在这方面的精力和资金还真不如半导体业界对MOSFET技术的改进。经过几代MOSFET 设计工业技术的进步，从第一代到第八代，光刻工艺从5μM 进步到0.5μM，使选择的材料电阻率大幅下降，加上进一步减薄的晶片，优秀的芯片粘结焊接技术，使当今的MOSFET 导通电阻降至5mΩ以下，开关时间已小于20ns，栅电荷仅20nc。
　近年来，复合电路拓朴也迅速发展起来，这种电路拓朴的集中目标都在于如何让同步整流部分的效率做到最佳状态。当初级电压变化一倍时，二次侧的占空比会相应缩小一半。而MOSFET的源漏电压却升高一倍。这意味着我们必须选择更高耐压的同步整流用MOSFET。我们知道，从半导体技术来分析MOSFET这种器件，当其耐压高一倍时，其导通电阻会扩大两倍。这对于用做同步整流十分不利，于是我们设想可否将二次侧同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%。这样我们选择比输出电压高2.5倍的MOSFET就可以了。例如：3.3V输出电压时同步整流MOSFET的耐压选12V档就可以了。而占空比变化大的我们就得选20V甚至30V的MOSFET，大家对比一下，12V的MOSFET会比20V的MOSFET的导通电阻小很多。正是基于这样一种思维，美国业界工程师先后搞出了多个复合电路拓朴。第一家申请专利的是美国SynQor公司，它的电路为Buck加上双组交互forward组合技术。第二家申请专利的是美国国家半导体公司，它的电路为Buck加上一组对称拓朴（推挽、半桥、全桥）。以上两种电路拓朴由于二次占空比不变还很适合多路输出。复合电路拓朴中还有一个新的发明就是推挽电路二次侧同步整流之后再加上Buck电路以实现多输出。采用一颗UCC3895再加上几个门电路形成了一个革命性的变革组合。这是一个很奇妙的思维及组合，其推挽及同步整流也都是处在最大占空比之下工作的，但电压却在变化着。
　目前，美国几家高级DC/DC制造商已经在高功率密度的DC/DC中使用了小型微处理器的技术。首先它可以取代很多模拟电路，减少了模拟元件的数量，它可以取代窗口比较器、检测器、锁存器等完成电源的起动、过压保护、欠压锁定、过流保护、短路保护及过热保护等功能。由于这些功能都是依靠改变在微控制器上运行的微程序。所以技术容易保密。此外，改变微控制器的微程序还可以适应同一印板生产多品种DC/DC的要求，简化了器材准备、生产管理等的复杂工作。由于它是数字化管理，它的保护功能及控制功能比采用模拟电路要精密得多，有了它还可以解决多个模块模块模块模块并联工作的排序和均流问题。
　第二代微控制器控制的DC/DC还没有将典型的开关电源开关电源开关电源开关电源进行全面的数字闭环控制，但是已经没有PWM IC出现在电路中，一个小型MCU参与DC/DC的整个闭环控制。但PWM部分仍是模拟控制，现在，采用DSP数字信号处理器参与脉宽调制，最大、最小占空比控制、频率设置、降频升频控制、输出电压的调节等工作，以及全部保护功能的DC/DC变换器已经问世。这就是使用TI公司的TSM320L2810控制的开关电源是全数字化的电源，这时DC/DC的数字化进程就真正地实现了。好在半导体技术的进步能很大幅度地降低芯片成本，因此，电源技术的数字化革命应该说号角已经吹响。
生产需求状况：
　由于集成电路的迅速普及，电子设备趋向小型化，并已广泛应用于我们现代社会生活的各个领域中。随着社会的信息化，它的应用领域将不断快速扩大，可以说是无处不在。现代电子设备所需电力的稳定供应，几乎都依赖于开关电源来实现。开关电源具有体积小、损耗低的特点。而随着经济的发展和电子行业的兴起，消费电子，特别是便携式电子设备的快速普及，电源管理半导体产品市场近期呈现快速增长趋势，甚至超过了数字信号处理器(DSP)和半导体存储器等产品的增长速度。大部分增长来源于电池供电的便携式电子设备，如手机、数字音乐播放器、数码相机、手持医疗仪器和测试仪器等。而这些设备基本都是通过电源管理芯片对开关电源的控制来实现对其的供电的。所以，正是由于上面的消费电子的兴起，产生了对开关电源的一个巨大的推动力。当然开关电源也有其自身存在的缺点：第一个就是使用高频变压器作为传输能量的器件。开关电源通常工作在几百K Hz以上，因而会产生电磁干扰，所以会影响自身或其它系统正常工作；此外，开关电源也存在着输出电压纹波较大的问题。但随着电子技术的发展(如-抗干扰技术、软开关技术、半导体技术等)上述缺点已经得到一定程度或是很好的解决，从而使开关电源在其应用中表现出了其强大的生命力。开关电源同线性或相控电源相比，由于其具有诸多的优势，因而一问世就受到广泛关注，随着IC领域工艺的不断的提高，并成为电源技术发展的主流方向。传统的小功率开关电源的主要缺点是：集成度低、稳定性较差和输出电压纹波较大、外围电路复杂等问题。然而随着微电子技术的迅猛发展、IC产业的发展以及生产工艺技术的成熟，单片开关电源集成电路具有高性价比、高集成度、最佳性能指标等优点，自从问世便显示出强大的生命力。在系统实现上，单片机又具有电子计算机的基本组成部分和功能，同时又具备体积小，电路简单、故障率低、可靠性高和成本低廉等优点。
选题目的和意义:
　本项课题要设计出一种高效实用的DC-DC变换器开关控制系统，该系统应具有算法简单、易于实现、价格低廉、运行稳定、易于普及的优点。按照上述要求，采用PWM控制技术，以PID为控制算法，以AT89C51单片机为核心控制器，配以外围电路，组成一个完整的控制系统。能够具有一定的理论和实用价值。
参考文献：
[1] 肖金球.单片机原理与接口技术[M].清华大学出版社，2004
[2] 武小梅.电力电子技术(第二版)[J].科学出版社，2010
[3] 谢宜仁.单片机实用技术问答[M]人民邮电出版社，2003
[4] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M]电子工业出版社，2005
[5] 周志敏，周纪海.现代开关电源控制电路设计及应用[M]人民邮电出版社，2005
[6] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M]电子工业出版社，1998
[7] 徐薇莉，曹柱中.控制理论与设计.[M]上海交大出版社，2003
[8] 李华.MCS-51系列单片机使用接口技术[M]北京航空航天大学出版社，1990
[9] 王福瑞等.单片微机测控系统设计大全[M[北京航空航天大学出版社，1999
[10] 方佩敏.新编传感器原理应用电路详解[M]北京电子工业出版社，1994
[11] 吴国经.单片机应用技术[M]中国电力出版社,2004
[12] 郑国川，李洪英.实用开关电源技术.[M]福建科学技术出版社，2004
[13] 周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用[M]人民邮电出版社，2003
[14] 王增福，李等.新.线性直流稳压电源[M[电子工业出版社，2004
[15] 王水平，田庆安，郭少伟等.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路[M]西安电子科技大学出版社，2004
[16] 李建飞，徐至新，钟和清. 具有恒压限流和恒流限压功能的DC-DC变换器.[M]电力电子技术，1999

二、主要设计内容、设计思路及工作方法或工作流程
1.设计内容：
本设计要求以单片机为核心，设计一个DC/DC变换器。单片机通过输出PWM信号控制三极管的通断，以达到控制输出电压的目的。使该变换器可以实现20～30V输入，5～10V输出。
2. 设计思路：
按照设计要求，采用PWM控制技术，以数字PID为控制算法，以AT89C51单片机为核心控制器，配以外围电路，组成一个完整的控制系统。主体分为以下几个部分：电路硬件设计，算法模型建立，程序编写。然后采用AT89C51单片机和ADC0809模数转化器，完成数据采集，数据分析处理，输出量的控制。

一、硬件系统设计:
系统硬件电路由控制电路系统设计，DC-DC变换电路设计，数据采集电路设计，人机界面电路的设计几大部分组成。其中DC-DC变换电路用来与外界进行数据传输，数据采集电路用来检测数据，人机界面电路的设计用来对测量结果进行分析。
　 硬件原理框图如图1所示

AT89C51

显示器

按键

采样电路
DC-DC 电路

图1硬件原理框图

二、 软件系统设计
软件设计完成的主要功能有三部分：设置输出电压；检测输出电压；显示输出电压。当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到单片机，再转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有旋钮的旋转，如果高位旋钮被旋转，电压大小步进变化，电压数据加（减）1，相对应输出电压（POWER-OUT引脚）以1V或者0.1V为单位改变大小，如果低位旋钮被旋转按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER-OUT引脚）以0.001V或者0.01V为单位改变大小，保存设置电压数据。保存该电压编号，读对应电压，并将电压值送到单片机并且用数码管显示。
软件流程图如图2所示
初始化

设定电压值

PWM调节

采样
YES

采样值与设定值是否相同

NO
PID调节

图2软件流程图
三、毕业设计(论文)工作进度安排
第5-6周： 查阅相关资料，了解所做设计的各个模块功能；
第7-8周： 熟悉各个模块的基本工作原理设计方法思路；
第9-10周： 确定各个模块的具体设计方案，提出总的设计方案；
第11-12周： 将设计方案应用到实际中设计系统；
第13-14周： 进行编程调试，进行仿真，完善功能；
第15周： 论文编写和修改；
第16周： 论交指导教师审阅，提出修改意见和建议，再次修改论文，准备答辩；
第17周　　　　 答辩。

指导
教师
评审
意见
难度

份量

综合训练程度

是否隶属科研项目

是否具有创新性

指导教师签字:____________
年 月 日
学院
毕业
设计
(论文)指导
委员
会审
核意
见意

教学院长：____________
（公 章）
年 月 日