11年A題實(shí)驗(yàn)報(bào)告(開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)).doc

2011年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 【本科組】 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題） 摘 要：本作品是基于被廣泛應(yīng)用在小功率及各種電子設(shè)備領(lǐng)域的開(kāi)關(guān)電源而設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為控制模塊，主要包括恒流恒壓產(chǎn)生及采樣模塊，輔助電源模塊，LCD及矩陣鍵盤(pán)模塊。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠輸出8V恒壓，功率可達(dá)到16W。并根據(jù)要求對(duì)兩路電流進(jìn)行按比例分配，采用一路恒壓源、一路恒流源，通過(guò)反饋和均流的方法實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源 并聯(lián)供電 恒壓輸出 定比分流Abstract: This circuit design is based on the widely use of switching power supply in small power and a variety of electronic equipment. This system take the C8051F020 as the control core, the system mainly consists of the constant current and sample circuit, the constant voltage and sample circuit, the auxiliary power supply circuit and the display and matrix keyboard circuit. It is a design of switch power supply in parallel system which can provide 8V constant voltage. And its power can reach 16Watt. With the use of the constant voltage and current circuit and the method of feedback and current sharing, it can reach the requirements of two current proportional distribution. Key Word：switching power supply parallel power supply constant voltage output fixed ratio current division 目錄摘 要：11. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.1設(shè)計(jì)要求11.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)11.1.2技術(shù)指標(biāo)11.2方案比較與選擇21.2.1DC/DC降壓控制模塊方案比較21.2.2過(guò)流保護(hù)方案比較31.2.3系統(tǒng)電路工作電源解決方案31.3方案論證32.單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算42.1恒壓源模塊42.2恒流源模塊53. 軟件設(shè)計(jì)73.1程序總體流程圖73.2程序清單（見(jiàn)附錄2）74.系統(tǒng)測(cè)試74.1測(cè)試儀器74.2測(cè)試方案84.3測(cè)試結(jié)果85. 結(jié)束語(yǔ)9參考文獻(xiàn)10附錄10附錄1 主要元器件清單10附錄2 程序清單111. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為16W的8V DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)（見(jiàn)圖1.1.1）。 圖1.1.1 兩個(gè)DC/DC模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)主電路示意圖1.1.2技術(shù)指標(biāo)（1）基本要求1 調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓=8.00.4V。2 額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于60% 。3 調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.00.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和=1.0A 且按:=1:1 模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。4 調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.00.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和=1.5A 且按:= 1:2 模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。（2）發(fā)揮部分1 調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.00.4V，使負(fù)載電流在1.53.5A之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流可在（0.52.0）范圍內(nèi)按指定的比例自動(dòng)分配，每個(gè)模塊的輸出電流相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%。2 調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.00.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和 =4.0A 且按:=1:1 模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%。3 額定輸出功率工作狀態(tài)下，進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)效率。4 具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為4.5A（調(diào)試時(shí)允許有0.2A 的偏差）。5 其他。1.2方案比較與選擇1.2.1DC/DC降壓控制模塊方案比較方案一：采用MC34063AMC34063A芯片的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，價(jià)格比較便宜；其缺點(diǎn)是最大可輸出電流為1.5A，題目發(fā)揮部分要求負(fù)載電流可達(dá)2A。所以需在輸出端擴(kuò)流，即在2端口接三極管，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)擴(kuò)流后電路輸出效率低，電壓不穩(wěn)定且MC34063A內(nèi)置比較器開(kāi)換工作，占空比不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)單脈沖反復(fù)震蕩的情況。方案二：采用LTC3855LTC3855是Linear Technology Corporation推出的雙輸出高效率（高達(dá)95%）同步降壓型DC/DC控制器，該器件具有多相工作模式、差分輸出電壓采樣和集成的鎖相環(huán)同步。LTC3855全部采用N溝道MOSFET，在4.5V-38V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，可產(chǎn)生0.75%準(zhǔn)確度和0.6V-12.5V的輸出電壓。通過(guò)監(jiān)控輸出電感器（DCR）兩端的壓降或使用一個(gè)采樣電阻，可以對(duì)輸出電流采樣?？删幊淘O(shè)定的DCR溫度補(bǔ)償在一個(gè)寬溫度范圍內(nèi)保持準(zhǔn)確恒定的電流性質(zhì)，可提供精確的電流分配。但此芯片性?xún)r(jià)比較低，且采購(gòu)不易。 方案三：采用LM2596LM2596輸出電壓1.2V-37V可調(diào)，輸出最高電流可達(dá)3A，輸出線(xiàn)性好負(fù)載可調(diào)，系統(tǒng)效率高，可以用僅80A的待機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)外部斷電，具有自我保護(hù)電路，經(jīng)調(diào)節(jié)后完全可實(shí)現(xiàn)題目的要求?；趯?shí)際測(cè)試，經(jīng)綜合考慮，最后選擇方案三。1.2.2過(guò)流保護(hù)方案比較方案一：通過(guò)恒流采樣模塊ADC1得到，通過(guò)恒壓采樣模塊ADC2得到。將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊電流值反饋給單片機(jī)，計(jì)算得總電流=+。，當(dāng)檢測(cè)電流值超過(guò)4.5A時(shí)拉高LM2596芯片的5腳的電位，即能使DC/DC模塊停止工作，起到過(guò)流保護(hù)的作用。延時(shí)一段時(shí)間后，再檢測(cè)的值，若小于4.5A，則將LM2596的5腳拉低，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)功能。方案二：在輸出電路中串入可自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，當(dāng)電流大于4.5A時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲由低阻抗轉(zhuǎn)為高阻抗切斷電路。電流降低后可恢復(fù)正常工作。為實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分的功能，必須要用到單片機(jī)進(jìn)行控制。且用到的LM2596芯片本身具有自動(dòng)保護(hù)的功能，因此直接選用方案一，這樣還能簡(jiǎn)化部分硬件電路。1.2.3系統(tǒng)電路工作電源解決方案為符合本次設(shè)計(jì)的要求，特別是滿(mǎn)足單片機(jī)及運(yùn)放的供電需求。先采用兩個(gè)可調(diào)的DC/DC模塊，實(shí)現(xiàn)24V轉(zhuǎn)5V，24V轉(zhuǎn)12V。1.3方案論證該系統(tǒng)由兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)而成，其中一個(gè)電源做電壓源穩(wěn)定電壓，另一個(gè)電源做電流源補(bǔ)償電流（如圖1.3）。芯片主干穩(wěn)壓芯片選用LM2596，它自帶硬件閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，可以通過(guò)4號(hào)管腳返回的反饋值自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出的大小。電源電壓不變，在電路中調(diào)節(jié)負(fù)載電阻值，使達(dá)到指定值。單片機(jī)根據(jù)所需比例計(jì)算電流源折合所需電流，由DAC反饋給4腳，使電流源輸出合適的電流。例如：所需=1A，比例，則通過(guò)單片機(jī)給DAC管腳輸出0.5V，使電流源輸出電流穩(wěn)定在0.5A，此時(shí)，負(fù)載兩端由于電壓源作用依舊保持8V，而電壓源輸出電流由于受電流源補(bǔ)償作用，輸出變?yōu)椋?A-0.5A=0.5A），此時(shí)，符合題目要求。 恒壓電流采樣24VADC1恒壓模塊LCD和鍵盤(pán)C8051F020單片機(jī)DAC0ADC0恒流模塊恒流電流采樣 圖1.3系統(tǒng)整體框圖 2.單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算 2.1恒壓源模塊 參考LM2596 的datasheet中應(yīng)用實(shí)測(cè)電路圖，輸出電壓的計(jì)算可由下式給出： ， 其中 =1.23V，。 為了確保輸出穩(wěn)定， R1 選用標(biāo)稱(chēng)阻值為 1K，精度為 1%的電阻。計(jì)算得R2=5.6K。 圖2.1.1恒壓源產(chǎn)生模塊電路設(shè)計(jì) 圖2.1.2 恒壓采樣模塊電路設(shè)計(jì)2.2恒流源模塊在電壓源的基礎(chǔ)上，對(duì)采樣及反饋進(jìn)行修改。采樣電阻阻值為0.1，采用LM324芯片對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行10倍精確放大，處理后信號(hào)回輸?shù)絃M2596的4號(hào)管腳，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。如圖2.2.1所示，運(yùn)算放大器倍數(shù)=， 調(diào)節(jié)R10，即可使運(yùn)算放大倍數(shù)=10。 圖2.2.1 同相比例運(yùn)算電路 圖2.2.2恒流源產(chǎn)生模塊電路設(shè)計(jì) 圖2.2.3恒流采樣模塊電路設(shè)計(jì)3. 軟件設(shè)計(jì)3.1程序總體流程圖圖.程序總體流程圖3.2程序清單（見(jiàn)附錄2）4.系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試儀器臺(tái)式萬(wàn)用表，型號(hào)：UT802，測(cè)試精度：0.001V/0.1A程控直流電源，型號(hào):MPD-3303，精度：0.1V4.2測(cè)試方案 由于系統(tǒng)對(duì)電路效率有一定的要求，所以需要測(cè)量輸入端、輸出端電壓、電流，方便檢測(cè)支路電流比，需要對(duì)支路電流進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)電路的示意圖，從電路中各點(diǎn)引出接線(xiàn)端子，電壓測(cè)量可以直接在被測(cè)點(diǎn)兩端并聯(lián)，用來(lái)檢測(cè)并記錄分析供電系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)。Uo被測(cè)系統(tǒng)電壓源電流源負(fù)載穩(wěn)壓源UinIinIoI2I1 圖4.2系統(tǒng)測(cè)試方案示意圖4.3測(cè)試結(jié)果（1） 基本要求部分a.額定功率下： 表1系統(tǒng)效率7.736V4.010A2.013A2.021A24V1.58A81.81% b.輸出電流1A(電流比1:1)： 表21.00A0.501A0.503c.輸出電流1.5A(電流比1:2)： 表31.500.500A0.981（） 發(fā)揮部分a.自動(dòng)電流任意比例分配 表 4電流比例 ：3.501.4911.972243:4額定功率輸出，=7.736V，=4.010A，：=2.013:2.0211:1，相對(duì)誤差分別為0.65%和1.05%，均符合要求。=24V，=1.58A，系統(tǒng)效率為。b.自我保護(hù)電流測(cè)量自我保護(hù)電流為=4.5A，能夠自動(dòng)恢復(fù)。5. 結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)利用LM2596芯片設(shè)計(jì)了恒流模塊和恒壓模塊，以構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。采用C8051F020單片機(jī)進(jìn)行ADC，DAC，按鍵和LCD顯示的處理，完成了發(fā)揮部分。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們遇到了很多問(wèn)題，比如恒流源反饋部分沒(méi)有工作，額定功率下的分流沒(méi)有按照1:1的比例進(jìn)行分配，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能時(shí)IO口的驅(qū)動(dòng)能力不夠，不能驅(qū)動(dòng)LM2596的5腳等。通過(guò)小組成員間的交流討論、仔細(xì)分析最終解決了上述問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，我們深刻地體會(huì)到共同協(xié)作和團(tuán)隊(duì)精神的重要性，并且也提高了自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。由于時(shí)間倉(cāng)促，供電系統(tǒng)的效率做到的為81.81%，在硬件電路芯片的選擇上進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)該會(huì)使供電系統(tǒng)的效率有進(jìn)一步的提高。參考文獻(xiàn)1 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)M.北京:高等教育出版社,20062 肖看,李群芳.單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)M.北京:清華大學(xué)出版社,20103 黃智偉,王彥,陳文光,朱衛(wèi)華.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程(修訂版).北京:電子工業(yè)出版社,2010附錄附錄1 主要元器件清單（1） LM2596 2片（2）C8051F020 1片（3）LM324 2片（4）滑動(dòng)變阻器（10,4.5A） 1個(gè)（5）0.1采樣電阻 2個(gè)（6）1K,4.7K,5.6K,10K,100K,470K,510K電阻，精度1% 若干（7）2K，10K變位器 2個(gè)（8） 電感33H 2個(gè)（9） 電容 50V/470F, 25V/330F 2個(gè)（10） 電容102,104,334 若干（11） IN4148 2個(gè)（12） IN5822 2個(gè)（13） DSN2596電源模塊 2個(gè)（14） LCD及矩陣鍵盤(pán) 1個(gè) 附錄2 程序清單main.c/* 本程序?yàn)殡p路ADC送LCD實(shí)時(shí)顯示。 ADC0輸入管腳為AIN1 (第10腳 AIN0.1) 測(cè)恒流的采樣電流; ADC1輸入管腳為P10 (第27腳 AIN1.0) 測(cè)恒壓的采樣電流;*/#include C8051F020.h#include DataType.h#include init.h#include key.h#include lcd.hsfr16 ADC0 = 0xBE;sfr16 DAC0 = 0xD2;sfr16 DAC1 = 0xD5;sbit P20=P20;sbit P00=P00;/unsigned char xdata sample0100=0;/unsigned char xdata sample1100=0;float I1_Value=0,I2_Value=0,I0_Value=0;void KeyPressedHandler (); /按鍵檢測(cè)函數(shù)void KeyPressedHandler1 ();void Clear_LCD_all(void);/屏幕處理函數(shù)void main(void) int i;WDTCN = 0xde; / Disable watchdog timer WDTCN = 0xad;Init();LCD_Init (); /液晶屏初始化KeyPort_Init (); /鍵盤(pán)初始化 EA = 1; Clear_LCD_all();LCD_DispStrAt (開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電, 1, 1);LCD_DispStrAt (恒流源I1:,2,1);LCD_DispStrAt (恒壓源I2:,3,1);LCD_DispStrAt (總電流I0:,4,1);while(1)for(i=0;i1000;i+);EA = 0;I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L;I2_Value=ADC1*16;I0_Value=I1_Value+I2_Value;LCD_DispStrAt (開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電, 1, 1); LCD_DispStrAt (恒流源I1:,2,1); LCD_DispStrAt (恒壓源I2:,3,1); LCD_DispStrAt (總電流I0:,4,1);LCD_DispFloatNumberAt (I1_Value*2.421/4095, 3, 2, 6); /3表示保留三位小數(shù)LCD_DispFloatNumberAt (I2_Value*2.421/4095, 3, 3, 6);LCD_DispFloatNumberAt (I0_Value*2.421/4095, 3, 4, 6);EA = 1; if(I0_Value = 3380) / I0_Value= 5070&I0_Value = 6253) / 3V = I0_Value = 6422&I0_Value 7098) / 3.8V = I0_Value = 7605) / I0_Value= 4.3V DAC1=4095; while(DAC1=4095) for(i=0;i30000;i+);for(i=0;i30000;i+);for(i=0;i30000;i+);I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; if(I0_Value 7605) / I0_Value = 4.3V DAC1=0; else DAC0=3887; / I0_Value為其他值時(shí)反饋DAC0為2.3A void ADC0_ISR(void) interrupt 15ADC0CN&=0x20;/清除中斷標(biāo)志void ADC1_ISR(void) interrupt 17ADC1CN&=0XDF;/清除中斷標(biāo)志 void KeyPressedHandler1 ()switch (KeyScan ()case 1: while(1) I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; DAC0=I0_Value/2; / 1:1 break;case 2: while(1) I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; DAC0=I0_Value/3; / 1:2 break;case 3:while(1) I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; DAC0=(I0_Value/7)*3; / 3:4 break;case 4:while(1) I1_Value=(ADC