实验题目：数控恒流电源设计实验

1. 课程简要信息

《电子创新设计与实践》独立实践课程，供 24 学时，适合电子信息、电气工程、光电工程类等大二下期的本科学生

2. 实验内容与任务（限 500 字）

1．利用电源管理芯片，制作 PCB 板，构成一个实用的降压 DC-DC 数控恒流电源电路。

（1）DC-DC 开关恒流电源输出 $3 0 0 \mathrm { m A }$ 、 $5 0 0 \mathrm { m A }$ 、1A。（2）电源的工作效率大于 $8 0 %$ 。
（3）电流精度 $\pm 5 %$ 。
（4）电压调整率 $\pm 2 %$

2．电源管理芯片的外围参数计算。

（1）开关频率计算。
（2）电感、电容、分压电阻的计算。

3．单片机程序设计，完成电流的检测和控制。

（1）利用单片机编程，实现按键输入和液晶显示。

（2）利用单片机编程，实现 PID 控制算法，完成电流的检测和控制。

4．开关电源性能测试

（1）电压调整率（抗电压波动能力）测试。
（2）负载调整率（抗负载波动能力）测试。
（4）输出电流纹波峰峰值测试。
（3）开关电源效率的测试。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习了解开关电源的工作原理，特点与构成；
2）学生给出实验设计方案对比；
3） 根据实验任务，选择满足实验要求的电源管理芯片，AD 芯片、单片机型号；
4） 利用选择的单片机编程，完成按键的输入、液晶显示、AD 模块控制、DA 模块控制和 PID 控
制算法；
5） 通过网上查阅，深入理解 PID 控制算法的编程思路；
6）计算开关电源的主电路的外围参数，并通过仿真调整参数，制作 PCB板，完成系统调试；

7）学生能够熟练使用示波器、万用表、电子负载等仪器仪表；

8）能够利用仪器仪表测试电压调整率、负载调整率、输出电流纹和工作效率等的测试；

9）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用电子技术、单片机编程技术和电力电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用信号放大、模数信号转换、数据显示、参数设定、反馈控制、PID 控制及参数设定等相关知识与技术方法。要求学生具有单片机编程能力、电路设计能力和运用相关的仪器仪表的基本能力。

5. 教学目的（限 100 字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解开关电源的工作原理，特点与构成；掌握基于单片机的编程技术；熟悉使用现有实验室的仪器仪表；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与数据分析对项目作出技术评价。

6. 实验教学与指导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试分析、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）实验前，给学生讲解开关电源背景和应用前景，学习开关电源的基本工作原理，了解根据实验任务同步，需要选择不同拓扑结构。

（2）实验中，指导学生分析恒流源的结构，计算恒流源的外围电感、电容和电阻的参数。

（3）实验中，简略地介绍反馈控制的基本原理，指导学生了解 PID 控制算法，要求学生自学实现反馈控制的方法及参数的整定。

（4）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，分析实验项目的技术指标，指导学生熟练使用现有实验室的仪器仪表。

（5）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，注重测试方式方法，减小误差。

7. 实验原理及方案

1） 系统结构

图1 系统结构图

2） 实现方案

图 2 系统方案图

首先，选择开关电源芯片，本实验选择 TI 公司的 TPS54331,采用双列贴片 8 引脚封装,用于以 3.5V 至 28V 的输入电压提供 3A 的输出电流低至 0.8V 的可调输出电压.

其次，选择 STM8 单片机作为控制芯片，利用 STM8 单片机的 PWM 模块，通过调整 PWM 模块的占空比，实现模数转化（DAC）的功能,接入恒流控制网络。

利用 TI 公司的 INA282 电流检测芯片采样输出的电流大小，通过 24 位高精度 AD7799 采样芯片采集电流大小。将利用 PID 控制算法，快速调整系统的控制电压到稳定，从而达到恒流的效果。在 LCD 屏上显示设置电流和电流步进，显示实时的输出电流和电压。

测试环节：

（1）电压调整率（抗电压波动能力）测试

调整输入电压使减小 $2 0 %$ ，用万用表测量输入电压改变前后的输出电压 $\mathrm { V _ { 0 1 } }$ 和 $\mathrm { { V _ { 0 2 } } }$ ，则电压调整率为 100%1 2 O OV V 。

（2）负载调整率（抗负载波动能力）测试

调整电子负载，用万用表测量输出电流（设为 $\mathrm { I _ { 0 1 } }$ ），再调整电子负载（负载增加约 $2 5 %$ ），测量输出电流（设为 $\mathrm { I _ { 0 2 } }$ ），则负载调整率为 $\frac { I _ { O 1 } - I _ { O 2 } } { I _ { O 1 } } \times 1 0 0 %$ 。

（3）效率测试

调整电子负载，用万用表测量输出电压和输出电流，同时测试输入电压和输入电流，则负载调整率为 in inI V $\frac { I _ { o u t } { \times } V _ { o u t } } { I _ { i n } { \times } V _ { i n } } { \times } 1 0 0 %$

（4）输出电流纹波峰峰值测试。

利用示波器测试负载电阻上的电压纹波峰峰值，通过欧姆定律计算出电流纹波峰峰值

8. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计与参数选择
5） 电路测试方法
6） 实验数据记录
7） 数据处理分析
8） 实验结果总结
9） 实物图照片
10）

对实验中一些感兴趣现象的分析，实验收获、体会和意见

9. 考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如电流精度、工作效率等），完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5）实验数据：测试数据和测量误差。

6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

10.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于： LED 照明，LED 和传统光源相比，有太多的优良特性，而且也响应了政府提出的新能源，节能环保的国家政策，也就是一种新光源；该项目源于 LED 恒流驱动电源设计，有很强的应用背景，知识应用的综合性，实现方法的多样性。