长沙理工大学第八届“电子设计大赛” 作品名称：实验用数控恒压源
作品简介：
1. 输入电压220V ±10%交流。
2. 输出电压直流3-20V 可调，步进0.1V ，误差0.01V 。纹波Vpp=100mV。输出电流1A 。
3. 具有过流保护、短路保护、欠压过压锁定功能。
4. 智能风扇转速控制。
创新点：
1. 采用数字滤波算法。
2. 输出电压PID 控制。
3. 前级开关电源，后级线性稳压，有效降低功耗。
4. 体积小巧，实用性高。
5. 良好的散热布局，可升高输出功率。
设计方案
一、开关电源的设计与制作
开关电源的设计是本作品的基础，本方案采用了TOP225三端集成开关芯片作为控制和功率级，有效减少了PCB 面积和设计难度。
开关电源分为五个部分：
1. 一次侧输入保护及整流滤波
（1）输入保护由275V/1A保险丝和热敏电阻组成。热敏电阻可以显著降低上电时的冲击电流，保险丝成为了保护电源的最后一道屏障。
（2）EMI 电磁滤波由跨接LN 线的X 安规电容和9.7mH 的共模电感组成，可以有效降低电网对电源的共模干扰，亦可降低电源对外的电磁辐射。
（3）输入滤波部分由4个IN4007组成的全桥整流和42uF/450V的滤波电容组成。考虑设计功率较小，1000V/1A的4007足以满足要求。
2. 一次侧功率管及箝位保护电路
（1）功率管和控制电路已集成到TOP225芯片之内，此款芯片具有高压电流源、自动重启电路，所以不需要额外设计上电启动及软启动电路。
（2）箝位保护电路由快恢复二极管FR107和高速TVS 瞬态电压抑制管P6KE200CE 串联组成，可有效抑制200V 以内的漏感电压。
3. 变压器设计
（1）变压器设计由电源功率、设计效率、最大占空比确定。此处去Po=30W,Uo=24V,Dmax=45%,磁芯选择EER28, 其有效截面积Ae=86mm²，磁路长度Le=64mm。
（2）经计算，原边匝数Np=160、电感6.9mH 。副边匝数Ns=18，反馈绕组匝数Nf=16。气隙0.4mm 。完成变压器绕制后测得原边电感6.6mH ，基本满足要求。
4. 输出整流滤波部分
（1）输出整流采用600V/5A的F5L60UM 超快恢复二极管，留有充足的余量。
（2）输出滤波采用较常用的π型滤波器。
5. 电压反馈
(1)TOP225芯片并不支持电压直接反馈，其占空比是根据反馈电流进行线性变化的。故需采用偏置绕组加上线性光耦进行输出电压反馈。
(2)此处PC817和TL431配合使用即可利用电位器精确调整输出电压，又可以使输出部分和输入部分进行电气隔离，增加了电源的安全性。
开关电源部分设计花了很长很长时间，每次结果都不尽人意。从实验到作品做了大概10几块板子，最后这一块在刚做出来的时候还可以正常工作。后来由于想改善输出电压纹波而改动了TL431的补偿，电源就再也没法工作了，换了许多元器件都没有效果。所以说，开关电源的设计还是失败的，稳定性达不到要求什么也白搭。后面数控部分用的24V/3A的开关电源是找来的替代品。
二、线性稳压及数控部分
相对于开关部分，线性稳压就好调整得多。刚开始我们尝试着用7805做实验，想把恒定5V 输出变为可控输出电压，并加入三极管扩流。这段时间我们尝试了7805、1117、TL431、LM317等多款芯片，最终确定了方案。期间，利用multism 和saber 软件进行仿真为我们提供了理论依据，节省了很长的时间。
数控部分分为四个部分：
1. 输入稳压
由于本方案采用了多种器件，有24V,20V,5V,3.3V 四种电压等级，所以采用7805、1117、LM317联合稳压。7805直接提供液晶所需的5V 电压，1117经过7805给单片机、DA 提供工作电压和基准电压，LM317设置为20V 输出给运放提供电源。
2. 输出部分
输出由继电器，LM317和滤波电容组成。由于LM317输出和基准的压差稳定在1.25V ，可用DA 信号经过运放放大后给LM317提供基准。由AD 采集回的数据经过PID 算法给基准提供正确的电压。
3. 运算放大器部分
此方案采用了常用的4运放LM324，组成了三个差分放大器，一个电压跟随器。
三个差分放大器分别对DA 输出信号进行7倍放大，对输出电压信号进行7倍衰减，对输出电流进行20倍放大。电压跟随器接在LM317的基准端和DA 运放输出端改善DA 输出。
4. 数控部分
采用超低功耗的MSP430作为主控制芯片，片内自带AD 和温度传感器。外围电路包含三个按键，12864显示屏，TLV5618十二位DA 芯片组成。由于引脚有限，所以均采用串行方式连接。
其余还有18B20温度芯片，风扇驱动，继电器驱动电路，此处不赘述。
三、程序部分
程序设计和电路设计相辅相成，分为四个部分：
1. 液晶显示程序
显示包含设置界面，输出界面和保护界面。
2.AD 采集程序
采用了中位平均滤波算法，可有效排除干扰，消去脉冲电压和脉冲电流。
3.DA 输出程序
采用PID 算法，把输出量和设定值进行比较进行反馈调节，最终使稳态误差减少到0.01V 。
4. 风扇PWM 驱动
根据温度和输出功率进行计算，低功率时不启动风扇，转速随着功率的增大而线性增加。
四、误差分析
由于系统的非线性，我们无法整定出一套完美的参数。 放大器部分，由于电源的纹波和电阻的精度，无法计算出精确的放大倍数，只能靠实验去测量。我们对每组参数进行了20组以上的测量，并计算出了线性回归方程。
图：整定电流参数时的数据
另外，运放的输出电阻也不为0，这使输出电压最小值一直在2.26V 左右，在这个范围内，系统非线性非常明显，所以我们将输出电压最小值设置为3V 。
误差还来自DA 和AD 的基准电压。直接用1117供电可能产生很大波动（比如有几次1117输出电压达到3.57V ）。 最后，误差来自测量误差，用的电压表是3位半电压表，可
能还有零点漂移等因素影响。
至此，作品设计已经到了尾声，在连夜的调试之后，也可以正常的运行。感谢队友之间亲密的配合，相信我们通过这次比赛可以更加完善自己。
制作人：
苏杭
刘三元
郑广财
附：原理图及PCB 图 数控部分
开关部分
长沙理工大学第八届“电子设计大赛” 作品名称：实验用数控恒压源
作品简介：
1. 输入电压220V ±10%交流。
2. 输出电压直流3-20V 可调，步进0.1V ，误差0.01V 。纹波Vpp=100mV。输出电流1A 。
3. 具有过流保护、短路保护、欠压过压锁定功能。
4. 智能风扇转速控制。
创新点：
1. 采用数字滤波算法。
2. 输出电压PID 控制。
3. 前级开关电源，后级线性稳压，有效降低功耗。
4. 体积小巧，实用性高。
5. 良好的散热布局，可升高输出功率。
设计方案
一、开关电源的设计与制作
开关电源的设计是本作品的基础，本方案采用了TOP225三端集成开关芯片作为控制和功率级，有效减少了PCB 面积和设计难度。
开关电源分为五个部分：
1. 一次侧输入保护及整流滤波
（1）输入保护由275V/1A保险丝和热敏电阻组成。热敏电阻可以显著降低上电时的冲击电流，保险丝成为了保护电源的最后一道屏障。
（2）EMI 电磁滤波由跨接LN 线的X 安规电容和9.7mH 的共模电感组成，可以有效降低电网对电源的共模干扰，亦可降低电源对外的电磁辐射。
（3）输入滤波部分由4个IN4007组成的全桥整流和42uF/450V的滤波电容组成。考虑设计功率较小，1000V/1A的4007足以满足要求。
2. 一次侧功率管及箝位保护电路
（1）功率管和控制电路已集成到TOP225芯片之内，此款芯片具有高压电流源、自动重启电路，所以不需要额外设计上电启动及软启动电路。
（2）箝位保护电路由快恢复二极管FR107和高速TVS 瞬态电压抑制管P6KE200CE 串联组成，可有效抑制200V 以内的漏感电压。
3. 变压器设计
（1）变压器设计由电源功率、设计效率、最大占空比确定。此处去Po=30W,Uo=24V,Dmax=45%,磁芯选择EER28, 其有效截面积Ae=86mm²，磁路长度Le=64mm。
（2）经计算，原边匝数Np=160、电感6.9mH 。副边匝数Ns=18，反馈绕组匝数Nf=16。气隙0.4mm 。完成变压器绕制后测得原边电感6.6mH ，基本满足要求。
4. 输出整流滤波部分
（1）输出整流采用600V/5A的F5L60UM 超快恢复二极管，留有充足的余量。
（2）输出滤波采用较常用的π型滤波器。
5. 电压反馈
(1)TOP225芯片并不支持电压直接反馈，其占空比是根据反馈电流进行线性变化的。故需采用偏置绕组加上线性光耦进行输出电压反馈。
(2)此处PC817和TL431配合使用即可利用电位器精确调整输出电压，又可以使输出部分和输入部分进行电气隔离，增加了电源的安全性。
开关电源部分设计花了很长很长时间，每次结果都不尽人意。从实验到作品做了大概10几块板子，最后这一块在刚做出来的时候还可以正常工作。后来由于想改善输出电压纹波而改动了TL431的补偿，电源就再也没法工作了，换了许多元器件都没有效果。所以说，开关电源的设计还是失败的，稳定性达不到要求什么也白搭。后面数控部分用的24V/3A的开关电源是找来的替代品。
二、线性稳压及数控部分
相对于开关部分，线性稳压就好调整得多。刚开始我们尝试着用7805做实验，想把恒定5V 输出变为可控输出电压，并加入三极管扩流。这段时间我们尝试了7805、1117、TL431、LM317等多款芯片，最终确定了方案。期间，利用multism 和saber 软件进行仿真为我们提供了理论依据，节省了很长的时间。
数控部分分为四个部分：
1. 输入稳压
由于本方案采用了多种器件，有24V,20V,5V,3.3V 四种电压等级，所以采用7805、1117、LM317联合稳压。7805直接提供液晶所需的5V 电压，1117经过7805给单片机、DA 提供工作电压和基准电压，LM317设置为20V 输出给运放提供电源。
2. 输出部分
输出由继电器，LM317和滤波电容组成。由于LM317输出和基准的压差稳定在1.25V ，可用DA 信号经过运放放大后给LM317提供基准。由AD 采集回的数据经过PID 算法给基准提供正确的电压。
3. 运算放大器部分
此方案采用了常用的4运放LM324，组成了三个差分放大器，一个电压跟随器。
三个差分放大器分别对DA 输出信号进行7倍放大，对输出电压信号进行7倍衰减，对输出电流进行20倍放大。电压跟随器接在LM317的基准端和DA 运放输出端改善DA 输出。
4. 数控部分
采用超低功耗的MSP430作为主控制芯片，片内自带AD 和温度传感器。外围电路包含三个按键，12864显示屏，TLV5618十二位DA 芯片组成。由于引脚有限，所以均采用串行方式连接。
其余还有18B20温度芯片，风扇驱动，继电器驱动电路，此处不赘述。
三、程序部分
程序设计和电路设计相辅相成，分为四个部分：
1. 液晶显示程序
显示包含设置界面，输出界面和保护界面。
2.AD 采集程序
采用了中位平均滤波算法，可有效排除干扰，消去脉冲电压和脉冲电流。
3.DA 输出程序
采用PID 算法，把输出量和设定值进行比较进行反馈调节，最终使稳态误差减少到0.01V 。
4. 风扇PWM 驱动
根据温度和输出功率进行计算，低功率时不启动风扇，转速随着功率的增大而线性增加。
四、误差分析
由于系统的非线性，我们无法整定出一套完美的参数。 放大器部分，由于电源的纹波和电阻的精度，无法计算出精确的放大倍数，只能靠实验去测量。我们对每组参数进行了20组以上的测量，并计算出了线性回归方程。
图：整定电流参数时的数据
另外，运放的输出电阻也不为0，这使输出电压最小值一直在2.26V 左右，在这个范围内，系统非线性非常明显，所以我们将输出电压最小值设置为3V 。
误差还来自DA 和AD 的基准电压。直接用1117供电可能产生很大波动（比如有几次1117输出电压达到3.57V ）。 最后，误差来自测量误差，用的电压表是3位半电压表，可
能还有零点漂移等因素影响。
至此，作品设计已经到了尾声，在连夜的调试之后，也可以正常的运行。感谢队友之间亲密的配合，相信我们通过这次比赛可以更加完善自己。
制作人：
苏杭
刘三元
郑广财
附：原理图及PCB 图 数控部分
开关部分