基于USB的供电控制系统设计

发布时间：2017-04-12 23:12

  本文关键词：基于USB的供电控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大多数人或许都为乱作一团的线缆、相互不兼容的接口、大大小小的适配器而烦恼过,而使用USB作为一种统一的接口可以很好地解决这个问题。现在,一般的智能手机和小型的电子设备(比如平板电脑、数码相机、电子书阅读器等)都可以通过一根USB线直接插在电脑上或适配器上来进行充电。在酒店住房、机场等候厅、汽车和火车候车厅,都可以看到以USB为接口的电源配置。因此,为家庭、办公、酒店、公寓等场所提供统一的USB供电控制很有必要。作为项目“创新USB传输技术在家庭网中的应用研究”的供电控制系统部分,本设计根据以USB为供电接口的各种小功率电器设备的供电要求,提出了一种基于USB的高效率、低功耗、环保节能的供电控制系统的设计方法,实现只需通过一根简单的USB数据线就可以给电器设备充电的功能。论文的主要内容包括硬件设计和软件开发两部分。系统硬件部分的设计环境为Altium Designer,仿真工具选用Proteus。硬件设计包括开关稳压电源的设计,FPGA最小系统开发,DAC转换电路的设计。系统软件部分的设计环境为Quartus Ⅱ,仿真工具为Quartus Ⅱ的自有仿真工具。软件设计模块包括顶层模块、分频模块、按键捕获处理模块、LED数码管显示模块和DAC转换模块。开关稳压电源设计部分,在其输入端设计了一个EMI滤波器,可以有效地抑制交流电网和高频开关电源各自产生的高频信号造成的相互干扰。工频整流采用全桥整流电路,输出电压波动小,为转换电路提供稳定的直流输入。DC-DC功率变换电路采用隔离式、对称驱动、半桥式拓扑,两个开关管交替导通完成斩波,再通过全波整流将调整后的交流电压转换成直流电压进行输出。开关管的控制电路选用TL494芯片来完成,TL494中的两个误差放大器,一个设计为稳压电路,控制信号为输出电路反馈回的电压信号,将其加到误差放大器的反相端,同相端接基准电压。当控制信号大于基准电压值时,电路自动调整脉冲宽度使其变窄,从而使电压稳定在设定值。另一个误差放大器设计为过流保护电路,当输出电流超过设定值时,内部电路自动地调整占空比,从而达到限流的目的。驱动电路采用互补式驱动电路,能使电源电路中开关功率管的上升沿和下降沿的特性变好,并且可以降低开关功率管的功率损耗。FPGA编程采用自底向上的流程进行开发。分频模块将系统时钟分频后得到两个时钟信号,一个用于按键检测,另一个用于数码管扫描显示；按键检测处理模块检测到按键的输入后,经过一系列的运算后输出设定的电压值,并送至显示模块和DAC转换模块；DAC转换模块再将按键检测处理模块传送过来的值转换成8位的二进制码输出到DAC0832芯片的数据输入端。最后对基于USB的供电控制系统进行了仿真和测试,重点测试了DAC0832转换电路、TL494芯片的性能和电源保护电路。测试结果表明,本设计理论研究的结果与实际测试的相关结果基本上相符。本论文工作对“创新USB传输技术在家庭网中的应用研究”项目的进一步研究提供了一定的参考和借鉴。
【关键词】：USB 开关稳压电源 FPGA DAC0832 TL494
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP334.7;TP273
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 引言11-15
• 1.1 课题研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究动态12-13
• 1.3 论文主要研究内容13
• 1.4 论文的组织架构13-15
• 第2章 系统设计方案及论证15-18
• 2.1 USB接口选择15
• 2.2 电源设计方案分析15-16
• 2.3 PWM控制方法及实现方案16-17
• 2.4 本章小结17-18
• 第3章 基于USB的供电控制系统的硬件设计18-47
• 3.1 USB接口分析及设计18-22
• 3.1.1 USB接口分类18-19
• 3.1.2 USB引脚定义19
• 3.1.3 USB新接口Type-C和USB PD标准介绍19-21
• 3.1.4 USB系统的构成21
• 3.1.5 系统采用USB接口技术的优势21-22
• 3.2 开关稳压电源设计22-40
• 3.2.1 电源输入电路设计22-24
• 3.2.2 DC-DC功率变换电路设计24-26
• 3.2.3 高频变压器的设计及计算26-27
• 3.2.4 储能滤波电感、电容参数计算27
• 3.2.5 PWM控制电路设计27-33
• 3.2.6 PWM转换器的驱动电路设计33-34
• 3.2.7 输出电路设计34
• 3.2.8 辅助电源设计34-38
• 3.2.9 保护电路设计38-40
• 3.3 系统控制模块设计40-41
• 3.3.1 cyclone系列芯片特点分析40
• 3.3.2 基于EP2C8Q208芯片的最小系统40-41
• 3.4 DAC转换模块设计41-45
• 3.4.1 DAC0832芯片介绍及其应用41-44
• 3.4.2 LM358芯片介绍及应用44-45
• 3.5 人机交互模块设计45-46
• 3.5.1 按键输入模块控制45
• 3.5.2 LED显示电路45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 基于USB的供电控制系统的软件设计47-54
• 4.1 软件编程工具的介绍及使用47-48
• 4.1.1 Quartus Ⅱ介绍47
• 4.1.2 Quartus Ⅱ软件开发流程47-48
• 4.2 软件设计语言概述48-49
• 4.3 软件设计总体构思49
• 4.4 FPGA编程开发49-53
• 4.4.1 分频模块设计50
• 4.4.2 按键捕获及处理模块设计50-51
• 4.4.3 LED显示控制设计51-52
• 4.4.4 DAC转换模块设计52-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第5章 系统软硬件仿真及测试54-62
• 5.1 硬件测试及仿真54-57
• 5.1.1 DAC0832转换电路测试54-55
• 5.1.2 TL494芯片性能检测55-56
• 5.1.3 保护电路测试56-57
• 5.2 FPGA程序仿真57-59
• 5.2.1 按键捕获处理模块仿真58-59
• 5.2.2 LED显示控制模块仿真59
• 5.3 系统测试结果59-61
• 5.4 本章小结61-62
• 总结与展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-66
• 攻读学位期间获得学术成果66

【参考文献】

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1 李渊;单相双级功率因数校正开关稳压电源研究[D];郑州大学;2011年

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本文编号：302270