1、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2目 录摘要 3第一章 系统方案论证 41.1 电源变换方案论证 41.2 显示方案论证 5第二章 理论分析与计算 62.1 效率提高的分析 62.2 效率计算 6第三章 电路与程序设计 73.1 电源总体系统方案设计 73.2 单元电路设计 73.2.1 XL6009 开关电源升压单元电路 .73.2.2 MC34063 无外接三极管的降压变换电路 73.2.3 过压报警单元电路 83.2.4 升降压转换电路 83.2.5 电流检测电路 83.2
2、.6 设定电路 93.2 程序流程图 9第四章 测试方案与测试结果 114.1 调试方法与仪器 114.2 测试结果分析 114.2.1 基本功能测试 114.2.2 扩展功能测试 114.2.3 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 .143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。
3、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 13，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4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 3.03.6V 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
4、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。控制器电感 续流二极管采样R sR 2V i n +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onT LonI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-isonLonVTI1）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sVRsiV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，
5、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。 5升压电路降压电路负载采样电阻电流检测图 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
6、，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。6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
7、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-/outinUI1）7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。升压模块降压模块负载电压检测M C U显示与报警电流检测模式转换键盘3 V图 3-1 系统总体
8、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33.6V，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。12J1CON2C1100uF/25VC2104R31+3VK2 K3D24148 D34148 D44148LJ1LJ232 184U6ALM358MCU-bao
9、jinQ38050 Q48050 Q58050R830KR750KD14148R21KC6 103567U3BOP29532184U3AOP295R41KR5 10KR6 10KR7 10KLJ1LJ7out+12345U1LX6009R1125Kout+out-LJ2LJ4LJ5LJ6LJ7Q1SI4800C?104C?104R?10kMCU-K1 MCU-K2 MCU-K3D54148Q680503V5V5VU1-5L133uHVREF+3VD7 5824C3100uF/25VC4104UP-VUP-VC1100uF/25VC2104Is7V+6 G4CT3Vref 5E 2C11C28
10、U2MC34063C3180pFL2 470uHDOWN-INDOWN-INU2-5 D85819 C3100uF/25VC410456 7U6BLM358R1025KR1110KMCU-VOUT+5VR? 20Kout+VREFU1-5U2-5R?10KR?10KR?20KR?10KK1LJ1LJ3R?3KR?3KR?3KK4LJ3123U4LM317123U5LM317R? 3kD?4148R13100Q8SI4800 MCU-MDQ?8050R?4.7kR?4.7k5V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
11、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。812J1CON2C1100uF/25VC2104R31+3VK2 K3D24148 D34148 D44148LJ1LJ232 184U6ALM358MCU-baojinQ38050 Q48050 Q58050R830KR750KD14148R21KC6 103567U3BOP29532184U3AOP295R41KR5 10KR6 10
12、KR7 10KLJ1LJ7out+12345U1LX6009R1125Kout+out-LJ2LJ4LJ5LJ6LJ7Q1SI4800C?104C?104R?10kMCU-K1 MCU-K2 MCU-K3D54148Q680503V5V5VU1-5L133uHVREF+3VD7 5824C3100uF/25VC4104UP-VUP-VC1100uF/25VC2104Is7V+6 G4CT3Vref 5E 2C11C28 U2MC34063C3180pFL2 470uHDOWN-INDOWN-INU2-5 D85819 C3100uF/25VC410456 7U6BLM358R1025KR111
13、0KMCU-VOUT+5VR? 20Kout+VREFU1-5U2-5R?10KR?10KR?20KR?10KK1LJ1LJ3R?3KR?3KR?3KK4LJ3123U4LM317 123U5LM317R? 3kD?4148R13100Q8SI4800 MCU-MDQ?8050R?4.7kR?4.7k5V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。12J1CON2C1100u
14、F/25VC2104R31+3VK2 K3D24148 D34148 D44148LJ1LJ232 184U6ALM358MCU-baojinQ38050 Q48050 Q58050R830KR750KD14148R21KC6 103567U3BOP29532184U3AOP295R41KR5 10KR6 10KR7 10KLJ1LJ7out+12345U1LX6009R1125Kout+out-LJ2LJ4LJ5LJ6LJ7Q1SI4800C?104C?104R?10kMCU-K1 MCU-K2 MCU-K3D54148Q680503V5V5VU1-5L133uHVREF+3VD7 5824
15、C3100uF/25VC4104UP-VUP-VC1100uF/25VC2104Is7V+6 G4CT3Vref 5E 2C11C28 U2MC34063C3180pFL2 470uHDOWN-INDOWN-INU2-5 D85819 C3100uF/25VC410456 7U6BLM358R1025KR1110KMCU-VOUT+5VR? 20Kout+VREFU1-5U2-5R?10KR?10KR?20KR?10KK1LJ1LJ3R?3KR?3KR?3KK4LJ3123U4LM317123U5LM317R? 3kD?4148R13100Q8SI4800 MCU-MDQ?8050R?4.7k
16、R?4.7k5V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。12J1CON2C1100uF/25VC2104R31+3VK2 K3D24148 D34148 D44148LJ1LJ232 184U6ALM358MCU-baojinQ38050 Q48050 Q58050R830KR750KD141
17、48R21KC6 103567U3BOP29532184U3AOP295R41KR5 10KR6 10KR7 10KLJ1LJ7out+12345U1LX6009R1125Kout+out-LJ2LJ4LJ5LJ6LJ7Q1SI4800C?104C?104R?10kMCU-K1 MCU-K2 MCU-K3D54148Q680503V5V5VU1-5L133uHVREF+3VD7 5824C3100uF/25VC4104UP-VUP-VC1100uF/25VC2104Is7V+6 G4CT3Vref 5E 2C11C28 U2MC34063C3180pFL2 470uHDOWN-INDOWN-I
18、NU2-5 D85819 C3100uF/25VC410456 7U6BLM358R1025KR1110KMCU-VOUT+5VR? 20Kout+VREFU1-5U2-5R?10KR?10KR?20KR?10KK1LJ1LJ3R?3KR?3KR?3KK4LJ3123U4LM317123U5LM317R? 3kD?4148R13100Q8SI4800 MCU-MDQ?8050R?4.7kR?4.7k5V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
19、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，9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 3-612J1CON2 C1100uF/25VC2104R31+3VK2 K3D24148 D34148 D44148LJ1LJ232 184U6ALM358MCU-baojinQ38050 Q48050 Q58050R830KR750KD14148R21KC6 103567 U3BOP29532184U3AOP295R41KR5 10KR6 10KR7 10KLJ1LJ7out+12345U1LX6009R
20、1125Kout+out-LJ2LJ4LJ5LJ6LJ7Q1SI4800C?104C?104R?10kMCU-K1 MCU-K2 MCU-K3D54148Q680503V5V5VU1-5L133uHVREF+3VD7 5824C3100uF/25VC4104UP-VUP-VC1100uF/25VC2104Is7 V+6G4CT3Vref 5E2C11C28 U2MC34063C3180pFL2 470uHDOWN-INDOWN-INU2-5 D85819 C3100uF/25VC410456 7U6BLM358R1025KR1110KMCU-VOUT+5VR? 20Kout+VREFU1-5U
21、2-5R?10KR?10KR?20KR?10KK1LJ1LJ3R?3K R?3K R?3KK4LJ3123U4LM317 123U5LM317R? 3kD?4148R13100Q8SI4800 MCU-MDQ?8050R?4.7kR?4.7k5V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Output InputMCU-K1 MCU-K2 MCU-K3 MCU-MD MCU-baojin MCU-in模式 初始状态 0 0 1 1100Am 0 1 0150Am 1 1 0输出模式200Am 0 0当 MCU-in
22、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 0300Am 0 1 0450Am 1 1 0连续模式 600Am 0 0 0脉冲周期分为三种，脉冲数可调不报警 不采样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。10
23、系统初始化开始按键函数调用K e y = S c a n K e y ( ) ;比较按键电流档位切换脉冲周期设置脉冲输出处理脉冲串设置工作状态显示S 1S 2S 3S 4图 3-7 系统程序流程图11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
24、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100mA150mA200mA（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各种输出电压条件下的电流测试值电流档位10V 8V 6V 4V 2V 0V最大误差100mA150mA200mA（3）输出电压值达到
25、 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300mA12450mA600mA（2）输入电压 3.6V，负载 10 ，周期为 10ms、 30ms、100ms 时，获得三个电
26、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300mA450mA10ms600mA300mA450mA30ms600mA300mA450mA100ms600mA（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
27、能。13附录附录 1 主电路板电路原理图12 J1CON2C1100uF/25VC2104R31+3VK2K3D24148D34148D44148LJ1LJ232184 U6ALM358MCU-baojinQ38050Q48050Q58050 R830K R750KD14148R21KC6103567U3BOP29532184 U3AOP295R41KR510KR610KR710KLJ1LJ7out+12345 U1LX6009R1125Kout+out-LJ2LJ4LJ5 LJ6LJ7Q1SI4800C?104C?104R?10kMCU-K1MCU-K2MCU-K3D54148Q680503
28、V5V5VU1-5L133uHVREF+3VD75824C3100uF/25VC4104UP-VUP-VC1100uF/25VC2104Is7V+6G4CT3 Vref5E2C1 1C2 8U2MC34063C3180pFL2470uHDOWN-INDOWN-INU2-5D85819C3100uF/25VC4104567U6BLM358R1025KR1110KMCU-VOUT+5VR?20Kout+VREFU1-5U2-5R?10KR?10KR?20KR?10KK1LJ1LJ3R?3KR?3KR?3KK4LJ3123 U4LM317123 U5LM317R?3kD?4148R13100Q8SI4800MCU-MDQ?8050R?4.7kR?4.7k5V14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
