開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電

題目題目 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 目目 錄錄 摘要 摘要 1 一 系統(tǒng)方案一 系統(tǒng)方案 1 DC DC 模塊主電路 2 2 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 2 3 輔助電源電路 2 4 系統(tǒng)總體方案 2 二 理論分析與計(jì)算二 理論分析與計(jì)算 3 1 DC DC 變換器穩(wěn)壓方法 3 2 電流 電壓檢測(cè) 5 3 均流方法 5 4 過(guò)流保護(hù) 5 三 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)三 硬件電路與軟件設(shè)計(jì) 5 1 硬件電路設(shè)計(jì) 5 2 軟件設(shè)計(jì) 7 四 測(cè)試條件與結(jié)果四 測(cè)試條件與結(jié)果 9 1 測(cè)試儀器設(shè)備 9 2 基本要求測(cè)試數(shù)據(jù) 9 3 發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù) 10 4 結(jié)果分析 11 五 參考文獻(xiàn)五 參考文獻(xiàn) 11 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 1 開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)電電源源模模塊塊并并聯(lián)聯(lián)供供電電系系統(tǒng)統(tǒng) 摘要 摘要 本設(shè)計(jì)以 Atmage16L 8PU 單片機(jī)為控制器 由 DC DC 模塊電路 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng) 電路 輔助電源電路 電流采樣電路 單片機(jī)電路 鍵盤電路和顯示電路組成 其中 DC DC 模塊采用 BUCK 電路實(shí)現(xiàn) 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路采用 IR2110 芯片完成 輔助電源由單 片開(kāi)關(guān)電源芯片 LM2576 產(chǎn)生 并增加后置線性穩(wěn)壓環(huán)節(jié) 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能 穩(wěn) 定輸出電壓 并實(shí)現(xiàn)兩路電源自動(dòng)或按指定比例分流 測(cè)試結(jié)果表明 系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá) 到題目要求 Abstract In the design MCU Atmage16L 8PU is used as a controller The system is composed of DC DC modules switch drive circuits auxiliary power suppliers current and voltage detection circuits MCU system display and keyboard control circuits DC DC module is based on BUCK circuit Switch MOSFET is drived by IR2110 chips Auxiliary power suppliers are generated by the switch mode power supply chip LM2576 with a linear post regulator Closed loop control is realized by MCU so the output voltage is stabled and the currents of the two DC DC modules are decided automatically or by the specified proportion Test results show that the system has definitely met the design demand 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 2 一 系統(tǒng)方案一 系統(tǒng)方案 1 DC DC 模塊主電路模塊主電路 方案一 采用反激式變換器 反激式變換器適合小功率輸出 輸入電壓大范圍波動(dòng)時(shí) 仍可有較穩(wěn)定的輸出 并且可以實(shí)現(xiàn)帶隔離的 DC DC 變換 但其反激式變壓器設(shè)計(jì)比較復(fù) 雜 且整體效率較低 方案二 采用 BUCK 變換器 BUCK 是一種降壓斬波電路 該拓?fù)湫矢?電路結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 參數(shù)設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單 綜合比較 電壓有 24V 變換到 8V 為降壓模式 且不要求隔離功能 為提高系統(tǒng)的效 率 且方便電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用方案二 2 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 方案一 由開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路芯片 GT3525 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào) 通過(guò)單片機(jī)控制 GT3525 芯 片的基準(zhǔn)電壓調(diào)整 PWM 信號(hào)的占空比 從而控制主電路的輸出 方案二 由單片機(jī)直接產(chǎn)生 PWM 信號(hào) 經(jīng)過(guò) IR2110 芯片進(jìn)行電平變換后 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān) 管 通過(guò)檢測(cè)輸出電壓和電流 由單片機(jī)直接調(diào)整 PWM 信號(hào)的脈寬 從而調(diào)整主電路的 輸出 方案二省去了開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路芯片 通過(guò)單片機(jī)直接控制脈寬 設(shè)計(jì)靈活 控制簡(jiǎn) 單 綜合考慮 選擇方案二 3 輔助電源電路輔助電源電路 輔助電源用于給單片機(jī)電路和驅(qū)動(dòng)電路供電 需要 5V 和 15V 兩路電源 方案一 采用反激電路實(shí)現(xiàn) 一路反激電路可以同時(shí)輸出 5V 和 15V 但反激電路結(jié) 構(gòu)復(fù)雜 需要變壓器 效率較低 方案二 基于單片開(kāi)關(guān)電源 LM2576 的降壓電路方案 此方案每路電源只能有一路輸 出 因此要同時(shí)提供 5V 和 15V 需要兩路輔助電源電路 但基于 LM2576 的降壓電路外 圍器件很少 無(wú)需變壓器和獨(dú)立的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單 調(diào)試方便 綜合考慮 選擇方案二 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 3 4 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)總體方案 包括 DC DC 模塊主電路 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 輔助電源電路 電流采樣 電路 電壓采樣電路 單片機(jī)電路 鍵盤電路和顯示電路 系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示 輔輔助助電電源源電電路路 DC DC模模塊塊 反反激激電電路路 ATmega32 單單片片機(jī)機(jī) DC DC模模塊塊 反反激激電電路路 開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)管管驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路 液液晶晶顯顯示示 鍵鍵盤盤電電路路 電電流流采采樣樣電電路路 電電流流采采樣樣電電路路 12V 5V 負(fù)負(fù) 載載 電電 壓壓 采采 樣樣 PWM 24V Uo 8V 圖 1 系統(tǒng)總體框圖 二 理論分析與計(jì)算二 理論分析與計(jì)算 1 DC DC 變換器穩(wěn)壓方法變換器穩(wěn)壓方法 DC DC 變換器采用 BUCK 電路結(jié)構(gòu) 由單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管 從 而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和穩(wěn)流功能 電路如圖 2 所示 電路主要由功率開(kāi)關(guān)管 輸出整流二極管和濾 波電路等組成 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 4 Q1 IXTH200N10T R1 2 2k D2 MUR1100 C1 100p D1 MBR1060 C2 2200uF C3 2200uF L1 1mH VIN VG 圖 2 DC DC 主電路 DC DC 變換器輸入電壓為 24VDC 輸出為 8VDC 我們選擇占空比為 0 5 根據(jù)反激 電路工作原理 開(kāi)關(guān)管兩端最大電壓為 我們選擇功率開(kāi)關(guān)V D V V48 5 01 24 1 in Q MOS 管 IXTH200N10T 該 MOS 管耐壓為 100V 電流為 200A 導(dǎo)通電阻只有 5 5m 耐 壓值留有足夠的余量 而且由于導(dǎo)通電阻小 能有效的減小損耗 由于反激電路在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的電壓尖峰 會(huì)損壞開(kāi)關(guān)管 因此需要在變壓 器原邊增加鉗位電路 我們選擇 RCD 鉗位電路 選擇電阻為 2 2k 2w 二極管型號(hào)為 MUR1100 電容為 300pF 鉗位效果良好 為提高效率 減少干擾 我們選擇整流二極管為超快恢復(fù)整流二極管 MBR1060 平均 整流電流為 10A 反向擊穿電壓為 60V 反向電流的恢復(fù)時(shí)間非常短 滿足本設(shè)計(jì)要求 反激電路通常使用由一個(gè)二極管和一個(gè)電容組成的半波整流濾波電路 本設(shè)計(jì)中負(fù)載 電流最高可達(dá) 2A 常規(guī)的半波整流會(huì)產(chǎn)生很大的電流紋波 給電流檢測(cè)和控制帶來(lái)困難 我們選擇兩個(gè)電容和一個(gè)電感構(gòu)成的 型濾波電路 使輸出電壓紋波和電容紋波均較小 濾波電容均選擇 2200 H 50V 的電解電容 電感選擇自行繞制的 1mH 3A 電感 主變壓器是反激電路最關(guān)鍵的器件 設(shè)計(jì)如下 參考現(xiàn)有的磁芯規(guī)格 選擇磁芯有效截面積 132 所選磁芯飽和磁通密度 e A 2 mm 本系統(tǒng)選擇開(kāi)關(guān)電源工作頻率 f 10kHz 頻率較低 單片機(jī)較容易實(shí)現(xiàn) 并可0 3 s BT 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 5 減小損耗 總功率 30W e P 峰值電流 A e p in 22 30 5 24 0 5 P I U D 電感量 in p 4 p 24 0 5 240 5 10 U D LuH I f 原邊匝數(shù) 取 30 o p 64 se 8 0 5 30 3 132 1010 U D N B A f 副邊匝數(shù) po s in 1 30 81 0 5 10 24 0 5 N UD N U D 線徑選擇 10kHz 趨膚深度f(wàn) 4 7272 0 72 10 mm f 為減小電路損耗 應(yīng)盡量選擇直徑大的漆包線繞制 但考慮到趨膚效應(yīng)問(wèn)題 應(yīng)該選 擇線徑不大于趨膚深度的線 本設(shè)計(jì)中 我們選擇直徑為 0 50mm 的雙股漆包線繞制 既 能減小損耗 又消除趨膚效應(yīng)的影響 根據(jù)參數(shù)制作變壓器 測(cè)量得到實(shí)際原邊電感 2 58mH 適當(dāng)增加氣隙 使原邊電感 為 220uH 滿足設(shè)計(jì)要求 2 電流 電壓檢測(cè)電流 電壓檢測(cè) 電流采樣的方法有兩種 一種是使用康銅絲 將康銅絲串入輸出回路 輸出電流將在 康銅絲上形成壓降然后做差分放大處理 該方案簡(jiǎn)單 但存在不足 康銅絲的實(shí)際電阻不 易準(zhǔn)確測(cè)量而且由于測(cè)量電路和功率電路沒(méi)有隔離 必然引入噪聲 本設(shè)計(jì)采用霍爾電流 傳感器對(duì)電流進(jìn)行采樣 霍爾傳感器 ACS712 是一款將小電流信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換為較大電壓測(cè) 量的高精度隔離測(cè)流芯片 其內(nèi)部還集成了濾波放大器件 使測(cè)量精度大大提高 單片機(jī) 根據(jù)采樣的電壓值計(jì)算出兩路 DC DC 模塊的電流和 并根據(jù)計(jì)算總電流 1 I 2 I o12 III o I 電壓的采樣是通過(guò)電阻分壓 直接從輸出取樣 然后進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換 根據(jù)取樣電壓值 和分壓比可計(jì)算出輸出電壓值 o U 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 6 3 均流方法均流方法 本系統(tǒng)在通電后首先給負(fù)載兩端提供穩(wěn)定電壓 然后通過(guò)單片機(jī)分別調(diào)整兩路 DC DC 主電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬 來(lái)調(diào)整各自的電流 I1和 I2 實(shí)現(xiàn)電流按比例分配 通過(guò)同時(shí)調(diào)整 兩路 DC DC 模塊的占空比來(lái)調(diào)整總的負(fù)載電流 Io 4 過(guò)流保護(hù)過(guò)流保護(hù) 當(dāng) I1和 I2有任意一路大于 2 5A 時(shí) 或者總電流 Io大于 4 5A 時(shí) 電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù) 單片機(jī)關(guān)閉 PWM 信號(hào)輸出 關(guān)斷輸出電壓 并通過(guò)蜂鳴器報(bào)警 延時(shí) 5 秒后再次開(kāi)通電 源 如果仍然過(guò)流 則再此關(guān)閉電源 如果不過(guò)流 電路正常工作 過(guò)流保護(hù)恢復(fù) 三 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)三 硬件電路與軟件設(shè)計(jì) 1 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) 1 DC DC 主電路 系統(tǒng)中兩路 DC DC 模塊采用 BUCK 電路 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)直接輸 出 驅(qū)動(dòng)電路比較容易實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) PWM 信號(hào)頻率為 15 6KHz 頻率較低 開(kāi)關(guān)耗損 小 效率較高 DC DC 主電路如圖 2 所示 2 輔助電源電路 本系統(tǒng)通過(guò)單片開(kāi)關(guān)電源 LM2576 的降壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn) 使用兩路輔助電源分別提供 5V 供單片機(jī)工作和 15 供驅(qū)動(dòng)電路工作 LM2576 的降壓電路外圍器件很少 無(wú)需變壓器 和獨(dú)立的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單 調(diào)試方便 輔助電源電路如圖 3 所示 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 7 圖 3 輔助電源電路 3 測(cè)控電路 測(cè)控電路是以 AVR 單片機(jī) Atmage16L 8PU 為核心的控制電路 如圖 4 所示 電流檢 測(cè)利用 ACS712 實(shí)現(xiàn) 由 A D 采樣其輸出電壓并計(jì)算出電流 根據(jù)計(jì)算 1 I 2 I o12 III o I 當(dāng) 1A 時(shí) 按 1 1 自動(dòng)分配 o I 12 II 當(dāng) 1 1 5 時(shí) 按 1 2 自動(dòng)分配 o I 12 II 當(dāng) 1 5 3 5 時(shí) 在 0 5 2 范圍內(nèi)按指定比例自動(dòng)分配 o I 12 II 當(dāng) 4 0A 時(shí) 按 1 1 自動(dòng)分配 o I 12 II 輸出電壓的檢測(cè)同樣是利用電阻分壓 由 A D 采樣輸出電壓值 根據(jù)分壓比計(jì)算 o U 電源電路的三路采樣都反饋給單片機(jī) 由單片機(jī)根據(jù)要求做出調(diào)整 從而形成了一個(gè)閉環(huán) 回路 使穩(wěn)定在 8V o U 圖 4 單片機(jī)系統(tǒng) 2 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用 AVR 單片機(jī) Atmage16L 8PU 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 系統(tǒng)軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì) 分為四個(gè)子程序 PWM 產(chǎn)生 A D 轉(zhuǎn)換 液晶顯示和鍵盤控制 它們所實(shí)現(xiàn)的功能分別 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 8 為 PWM 是利用單片機(jī)的定時(shí)器 T1比較匹配中斷產(chǎn)生 采用快速 PWM 模式 T1的計(jì) 數(shù)最大值由輸入捕捉寄存器的值決定 根據(jù)電路需要產(chǎn)生 15 6KHz 的 PWM 信號(hào) 由于 T1 有兩個(gè)比較匹配寄存器 可以同時(shí)產(chǎn)生兩路比較匹配輸出 因此只用 T1即能產(chǎn)生兩路 PWM 輸出 由于 ATmega16L 自帶了一個(gè) 10 位 8 通道的 A D 轉(zhuǎn)換器 因此不用外擴(kuò)電 路即能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中要求的兩路電流和一路電壓采樣 液晶顯示采用 12864 液晶屏 主要 用來(lái)顯示電流比 輸出電壓和兩路電流 鍵盤控制部分主要實(shí)現(xiàn)電流任意比的輸入 控制電路系統(tǒng)軟件流程圖如圖 5 所示 初初始始化化 調(diào)調(diào)整整PWM占占空空比比 穩(wěn)穩(wěn)定定輸輸出出電電壓壓 7 8V Uo4 5A 根根據(jù)據(jù)比比例例關(guān)關(guān)系系調(diào)調(diào)整整兩兩路路 PWM占占空空比比 分分配配電電流流 AD采采樣樣 N N Y 關(guān)關(guān)閉閉PWM 輸輸出出 Y 延延時(shí)時(shí)2秒秒 重重啟啟 定定時(shí)時(shí)器器 開(kāi)開(kāi)始始 圖 5 系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)軟件主函數(shù)的設(shè)計(jì)思想如下 系統(tǒng)初始化 分別對(duì)三個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣 根據(jù)采樣值計(jì)算出 I1 I2 Uo的值然后進(jìn)行占空比的調(diào)整 首先判斷 Uo是否在 7 93V 8 08V 之間 若是則根據(jù)總電流 Io Io I1 I2 的大小 計(jì) 算 I1 I2依照題意所給比例 或者手動(dòng)輸入比例 分流后的理論值 判斷 I1 I2是否在各自 理論值允許的范圍內(nèi) 然后對(duì)兩路信號(hào)的占空比分別作相應(yīng)的調(diào)整 否則同時(shí)對(duì)兩路信號(hào) 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 9 的占空比作相應(yīng)調(diào)整 循環(huán)執(zhí)行 2 3 操作 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 首先判斷是否過(guò)流 是則關(guān)閉定時(shí)器并將 PWM 輸出變?yōu)榈碗娖?延時(shí) 2 秒鐘 重新 啟動(dòng)定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 否則 根據(jù)主函數(shù)的結(jié)果 改變匹配值 調(diào)整占空比 四 測(cè)試條件與結(jié)果四 測(cè)試條件與結(jié)果 1 測(cè)試儀器設(shè)備 測(cè)試儀器設(shè)備 系統(tǒng)測(cè)試所用儀器設(shè)備如表 1 所示 表 1 儀器設(shè)備 儀器設(shè)備型號(hào)數(shù)量 30MHz 雙蹤模擬示波器GOS 630FC1 萬(wàn)用表FLUKE17B3 直流穩(wěn)壓電源DF1731SL3ATS1 2 基本要求測(cè)試數(shù)據(jù) 基本要求測(cè)試數(shù)據(jù) 1 額定功率條件下測(cè)試結(jié)果 UIN 23 70V IIN 2 291A UO 7 98V RL 1 95 IO 4 09A 計(jì)算得到效率 60 11 2 調(diào)整負(fù)載電阻下測(cè)試結(jié)果如表 2 所示 表 2 基本部分各項(xiàng)指標(biāo) o I A o U V 要求 1 I 值 A 要求 2 I 值 A 測(cè)試 1 I 值 A 測(cè)試 2 I 值 A 相對(duì) 1 I 誤差 相對(duì) 2 I 誤差 0 9958 120 4970 4970 4920 5031 01 2 1 5288 010 5091 0180 5241 0402 92 2 從以上結(jié)果看 測(cè)試基本部分均滿足指標(biāo)要求 輸出總電流在 1A 和 1 5A 時(shí) 兩路電 流都能按照 1 1 和 1 2 的比例分配 且相對(duì)誤差控制在 3 以內(nèi) 優(yōu)于指標(biāo)要求 且輸出電 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 10 壓指標(biāo)一直滿足要求 3 發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù) 發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù) 1 調(diào)整負(fù)載電阻進(jìn)行電流測(cè)試 結(jié)果如表 3 所示 表 3 發(fā)揮部分各項(xiàng)指標(biāo) o I A 12 II o U V 要 1 I 求值 A 要 2 I 求值 A 測(cè) 1 I 試值 A 測(cè) 2 I 試值 A 相 1 I 對(duì)誤差 相對(duì) 2 I 誤差 2 0012 17 951 3340 6671 3300 6710 290 60 2 0501 17 941 0251 0251 0201 030 490 48 2 0411 27 940 6801 3610 6321 417 063 60 2 3632 18 0501 5750 7881 5230 843 306 60 2 3971 18 0201 1991 1991 1971 200 080 08 2 3941 27 9700 7981 5960 7641 634 262 13 2 17 9802 3331 167 1 17 9201 7501 7503 5 1 27 9901 1672 333 4 01 18 0102 0002 000 從以上結(jié)果看 總電流在 1 5A 3 5A 變化時(shí) 可以通過(guò)鍵盤輸入任意電流比 兩路電 流按比例