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2008年“盛群杯”重庆大学生单片机应用设计竞赛 复赛报告 车载开关电源重庆文理学院 电子电气工程学院 指导老师：廖长荣 参赛队员：史笃鑫 刘艳梅 周金矿 E-mail Address:xiao.shitou0109@163.com 日期:2009年 5 月 29 日 摘要 随着人们物质生活的提高，汽车成为了人们生活的一部分，同时汽车上所装备的电子产品如MP3、笔记本电脑、手机充电器等移动电子设备也越来越多，这就需要各种低压的直流电源。而目前汽车电瓶主要采用两个12V直流电瓶作为电源输出，这显然不能满足需求。市场上出售的很多电源采用的是功能单一的串联型稳压电源，效率不高。本设计采用TL494及HT46RU232构成多功能开关电源，可输出连续可调电压给不同的设备，电压可调范围为5V～15V，输出电流0～4A。同时该电源还具有过流保护、报警、数字显示等功能，能满足大多数移动电子设备对电源的需求。除此之外，此开关电源还具有转换效率高、带负载能力强、输出电压连续可调、重量轻等优良性质，具有旷阔的应用前景和价值。 关键词：微控制器、单片机、开关电源 1.前言简介实现V～15V可调开关电源，最大可实现4A电流。为便携式电子设备提供各种幅值的电压，方便驾车在外旅行应急使用。特色现在人们日常生活中用到的电源大多是串联型稳压电源，它具有结构简单、价格便宜的优势。但它输出电压稳定性较差，适用于对稳定性要求不高，电压固定的小电流负载，同时其利用率不高，最多为40%左右。对于要求较高的场合开关电源具有明显的优势。 本开关电源具有功耗小，效率高。在电路中，场效应管V工作在导通—截止和截止的开关状态，转换速度很快，频率为100kHz左右。这使得功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。体积小，重量轻。从原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以它的体积小，重量轻。 稳压范围宽。从输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过脉宽调制来进行补偿。这样，在输入电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以该开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。该开关电源的工作频率工作在100kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。 2.系统方案设计与论证2.1 设计思路 基于题目的基本要求，采用图1所示的方案。系统主要由TL494电路、滤波、DC—DC变换器、单片机控制系统、显示等电路模块组成。 TL494模块是电源控制管理IC；滤波电路将输出的矩形波电压转换为直流电压；控制器是HT46RU232单片机及其外围电路（如DAC0832）组成的，该模块实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、和DC—DC电压输出控制和稳压、显示、人机交换等功能；过流保护电路实现输出电流过流保护功能；同时电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。 图1 系统总设计方案2.2 方案论证 2.2.1 DC—DC主回路拓扑 目前汽车上有两个电瓶，分别可以提供12V的直流电。考虑到移动电子设备的主要用电电压为5～15V，采用两个电瓶串联，在经由BUCK降压拓扑来获得5～15V的输出电压。 BUCK拓扑2所示。 图2 BUCK拓扑2.2.2 控制方法及实现方案DC-DC变换器实现PWM控制的开关频率至少要为100KHZ，这是单片机难于实现的。 (2)方案二：单片机和脉宽调制型控制器共同实现整个系统的控制。该方案的优点：⒈控制系统软件编程工作量较小，难度不大；⒉用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为100KHZ的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好；⒊单片机控制的任务较轻，对单片机硬件资源要求不高。该方案的缺点：⒈硬件电器设计难度较大；⒉电路板布线工作量较大。 经过方案比较与论证，最终确定用方案二：1所示，脉宽调制器TL494产生高频脉冲直接控制DC-DC变换模块，单片机实现数码管显示、A/D和D/A转换、过流保护、处理电压反馈信号、对脉宽调制器进行控制、显示和人机交换等功能; 过流保护电路使负载电流不超过4A；负载电压负反馈电路进一步对负载电压进行精确控制。 2.2.3 过流保护电路的设计 过流保护是一种电源负载保护功能，以避免发生包括输出端上的短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。有两种实现方案：一是采用继电器和单片机组合实现断开输入电压：二是在电源输出采用电压比较器、光耦和电阻分压的方式来实现。经讨论发现由单片机来控制增加了单片机的负担，而同时采用电压比较器、光耦用法较成熟，易于实现。故采用第二种方法。