我們的開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)A題

1、摘 要 本開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機產(chǎn)生10KHZ的PWM脈沖信號，作為串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管控制信號。采用康銅絲和運放電路構(gòu)成高端電流檢測電路，采用電阻分壓構(gòu)成電壓檢測電路，采用單片機自帶的10位ADC實時檢測每個開關(guān)電源的電流和電壓值，構(gòu)成電流和電壓雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓均流的目的。在額定功率16W的情況下，輸出電壓穩(wěn)定在8V0.1V以內(nèi)，供電效率為68%。在保持輸出電壓為8V0.1V時，控制輸出總電流在1.53.5A內(nèi)變化，且兩個開關(guān)電源模塊可在0.52A內(nèi)按指定比例自動分配，相對誤差絕對值小于1.8%。具有過流保護和自動恢復(fù)功能。目 錄1系統(tǒng)方

2、案11.1 開關(guān)電源模塊類型的論證與選擇11.2 開關(guān)管控制方式的論證與選擇21.3 電流檢測電路的論證與選擇21.4 控制系統(tǒng)的論證與選擇22系統(tǒng)理論分析與計算32.1 串聯(lián)型開關(guān)電源穩(wěn)壓原理與參數(shù)計算32.1.1 穩(wěn)壓原理32.1.2 LC濾波電路參數(shù)計算32.1.3 散熱片面積的計算42.2 電流電壓檢測電路42.3 均流方法52.4 過流保護53電路與程序設(shè)計53.1電路的設(shè)計5開關(guān)電源模塊主電路設(shè)計5電流電壓檢測電路設(shè)計5單片機電源電路設(shè)計63.2程序的設(shè)計6程序設(shè)計思路6程序功能描述與流程圖74測試方案與測試結(jié)果84.1測試儀器與測試框圖84.2測試結(jié)果及分析85結(jié)論11附錄1：電

3、路原理圖12開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題）【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由兩個開關(guān)電源模塊、電流電壓檢測電路、控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體方框圖如圖1.1所示。下面分別論證這三個模塊的詳細方案選擇。圖1.1 系統(tǒng)總體方框圖1.1 開關(guān)電源模塊類型的論證與選擇方案一：并聯(lián)型開關(guān)電源。如圖1-2所示將開關(guān)K與負載并聯(lián)，當開關(guān)通斷時電感起儲能作用，將感生電動勢與輸入電壓相疊加后作用于負載，輸出電壓高于輸入電壓。圖1-2 并聯(lián)型開關(guān)電源方案二：串聯(lián)型開關(guān)電源。如圖1-3所示，將開關(guān)K與負載串聯(lián)，當開關(guān)通斷時輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓，輸出電壓低于輸入電壓。圖1-3 串聯(lián)型開關(guān)電

4、源由于題目要求輸入24V，輸出穩(wěn)定8V，故選擇方案二作為DC/DC模塊主電路。1.2 開關(guān)管控制方式的論證與選擇方案一：自激式控制方式。利用本身的開關(guān)管、脈沖變壓器及相關(guān)的阻容元件構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生開關(guān)管的導(dǎo)通電壓，外部無法對其進行干預(yù)。方案二：他激式控制方式。由外部控制系統(tǒng)產(chǎn)生可調(diào)制占空比的脈沖波控制開關(guān)管的通斷，通過檢測輸出的電壓與電流并反饋給控制系統(tǒng)，反復(fù)進行調(diào)整穩(wěn)定輸出量。綜合比較以上兩種方案，方案二可由外部控制系統(tǒng)控制輸出量，便于性能的擴展和優(yōu)化，故選擇方案二。1.3 電流檢測電路的論證與選擇方案一：霍爾電流傳感器。電流流過霍爾傳感器的線圈產(chǎn)生磁場，磁場隨電流的大小變化而變化，磁場聚

5、集在磁環(huán)內(nèi)，霍爾元件輸出隨磁場變化的電壓信號。通過檢測電壓值得到電流的大小。方案二：高端電流檢測電路。通過采樣電阻，將通過電阻的電流轉(zhuǎn)換成兩端的電壓，通過檢測電壓值從而獲得電流值。該檢測方法電路和程序控制都比較簡單。 1.4 控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：雙機控制系統(tǒng)。如圖1.2所示，由兩個控制系統(tǒng)分別對兩個DC/DC模塊進行控制，通過雙機通訊實現(xiàn)信息的傳遞，減小軟件的控制難度但增加硬件、功耗和成本。圖1.2 雙機控制系統(tǒng)方案二：單機控制系統(tǒng)。采用具有兩路PWM輸出、8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、低功耗成本的STC12C5A60S2單片機，同時控制兩個DC/DC模塊，并可實時采集輸出量。減少硬件、功

6、耗和成本，但軟件的控制難度較大。圖1.3 單機控制系統(tǒng)考慮降低功耗與成本，故選擇方案二。綜合以上的分析論證，本設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機作為控制系統(tǒng)，采用串聯(lián)型開關(guān)電源，單片機輸出兩路可調(diào)制脈寬的PWM信號控制開關(guān)電源模塊的輸出量，通過電流和電壓檢測電路，將輸出量反饋給單片機，再由單片機對數(shù)據(jù)進行分析處理調(diào)整PWM信號，從而達到穩(wěn)定輸出電壓和電流的目的，最終供給負載。將測得的電壓和電流參數(shù)在1602液晶顯示屏上顯示，通過按鍵可對系統(tǒng)的控制參數(shù)進行操作。24V直流電源直接給開關(guān)電源模塊供電，同時降壓給單片機提供穩(wěn)定5V電源。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1 串聯(lián)型開關(guān)電源穩(wěn)壓原理與參數(shù)計算

7、2.1.1 穩(wěn)壓原理本設(shè)計采用串聯(lián)型開關(guān)電源，其穩(wěn)壓原理框圖如圖2.1所示。在開關(guān)K導(dǎo)通期間，電感L將流過的電流轉(zhuǎn)換成磁能進行能量儲存，電容C將流過電感L的部分電流轉(zhuǎn)換成電荷儲存。在開關(guān)K關(guān)斷期間，電感L產(chǎn)生反向電動勢，輸送給負載R并與續(xù)流二極管D構(gòu)成回路，同時電容C將電荷轉(zhuǎn)換成電流向負載供電。通過不斷導(dǎo)通與關(guān)斷開關(guān)K，使uo產(chǎn)生脈動電壓，經(jīng)過LC濾波電路使脈動電壓轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定的直流電壓Uo輸送給負載，輸出電壓Uo的電壓值與開關(guān)K在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的時間成正比。當外部因素使輸出電壓或電流產(chǎn)生變化時，通過單片機自帶的10位ADC實時采集輸出的電壓和電流，實時調(diào)整開關(guān)K導(dǎo)通的占空比，從而構(gòu)成閉環(huán)控制

8、電路，使輸出電壓和電流達到穩(wěn)定。圖2.1開關(guān)電源模塊穩(wěn)壓原理2.1.2 LC濾波電路參數(shù)計算題目要求輸入電壓24V，輸出電壓為8V，即根據(jù)串聯(lián)型開關(guān)電源在輸出電壓小于輸入電壓的二分之一時的電感計算公式如式（2-1）所示：其中L為電感量、Ui為輸入電壓、Uo為一個DC/DC模塊的輸出電壓、Ton為PWM一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間，Io為一個DC/DC模塊的輸出電流。 (2-1)根據(jù)實驗測試得知，當開關(guān)頻率在10KHZ時的供電效率比較高，導(dǎo)通時間Ton約為30%，因此將各參數(shù)代入式（2-1）得式（2-2）： (2-2)本設(shè)計采用銅線和磁芯做成的電感以增大電感的儲能能力提高供電的效率。根據(jù)串聯(lián)型開關(guān)電源的電

9、容計算公式如式（2-3）所示，其中C為電容容量、Io為一個模塊個輸出電壓、Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個周期的時間。 (2-3)題目要求輸出電壓在8±0.4V，我們設(shè)定紋波電壓為0.1V,將各參數(shù)代入式（2-3）得式（2-4）結(jié)果： (2-4)為了使電容工作時有余量，本設(shè)計采用4700電容達到降低紋波電壓的目的。2.1.3 散熱片面積的計算由于開關(guān)電源的主要損耗是在開關(guān)管上，因此合理選擇散熱片的材料面積是保持電路正常工作的一個重點。本設(shè)計使用鋁散熱片，根據(jù)所選擇場效應(yīng)管IRF9540N的參數(shù)，最大工作溫度TJM為175 oC、最大環(huán)境溫度TAM為40 oC、平均耗散功率為4.

10、8W、芯片內(nèi)部至外殼的熱阻R為1.1 oC/W、外殼至散熱片的熱阻RJC為0.5 oC/W，代入散熱片的熱阻Rcs的計算公式（2-5）： (2-5)根據(jù)鋁散熱片的熱阻和面積的關(guān)系可得知，散熱片的面積至少為20cm2。本設(shè)計采用40cm2的鋁散熱片，增加1倍的余量明顯提高散熱效果。2.2 電流電壓檢測電路 要實現(xiàn)對輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，必須對輸出電流和電壓進行采樣反饋。本設(shè)計采用如圖2-2所示的電流電壓檢測電路。圖2-2 電流電壓檢測電路題目要求過流保護的閥值電流為4.5A，每個開關(guān)電源模塊的可調(diào)電流范圍為0.5-2A，且當總電流輸出為4A時，各個模塊的電流輸出誤差小于2%。可得知，電流檢測

11、模塊需要檢測的最大電流為2.5A；檢測的精度Imin如公式（2-5）所示。 (2-5)本設(shè)計采用電阻分壓的方式對各個開關(guān)電源模塊的輸出電壓進行檢測，由于采樣電壓直接輸送給單片機10位ADC進行檢測，單片機所能檢測的最高電壓為5V，測量精度Vmin如公式（2-6）所示。 (2-6)輸出的電壓穩(wěn)定在8V，電壓擺動為V，假設(shè)電壓分壓系數(shù)為1：1，則輸出電壓擺動10mV時單片機即可以檢測出來，滿足題目要求。2.3 均流方法 由于要求在額定功率的情況下，使兩個開關(guān)電源模塊輸出的電流按設(shè)定的比例分配電流，因此本設(shè)計采用單片機實時檢測兩個開關(guān)電源的輸出電壓和電流，動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)穩(wěn)壓均流的方法。采用固定其中一模

12、塊電流輸出，其另一模塊進行穩(wěn)壓的方法：在輸出電壓為8V，總電流大于500mA、小于2.7A的情況下，模塊一動態(tài)的穩(wěn)定輸出500mA的電流，模塊二進行穩(wěn)定輸出電壓。當模塊二電流大于2.2A時，模塊2轉(zhuǎn)為2A電流的穩(wěn)定輸出，模塊一進行穩(wěn)定輸出電壓，但當模塊一的電流小于300mA時，模塊一又轉(zhuǎn)為恒流轉(zhuǎn)出，模塊二轉(zhuǎn)為恒壓輸出。其中恒流恒壓交替控制。2.4 過流保護為了減少額外的功率損耗，本設(shè)計采用軟件方式實現(xiàn)過流保護功能，單片機實時檢測輸出的電流大小，當電流值超過預(yù)置的閥值4.5A時，單片機控制PWM信號完全截至開關(guān)管使輸出斷開，當故障消除后，單片機再次控制PWM信號使輸出電壓恢復(fù)正常，從而實現(xiàn)快速負

13、載過流保護和自恢復(fù)功能。3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1開關(guān)電源模塊主電路設(shè)計 開關(guān)電源主電路圖如圖3.1所示，由于所選擇的開關(guān)管IRF9540N在該電路中的控制電壓10-24V，單片機IO口最高只能提供5V的電壓，因此本設(shè)計采用三極管的推挽驅(qū)動電路使控制電壓達到開關(guān)管的工作電壓。單片機輸出PWM脈沖信號，通過Q1、Q2、Q3三極管構(gòu)成的推挽驅(qū)動電路控制開關(guān)管IRF9540N的通斷。圖3.1 DC/DC開關(guān)電源模塊主電路圖3.1.2電流電壓檢測電路設(shè)計電流電壓檢測電路圖如圖3.2所示，電流檢測使用0.09的采樣電阻，對輸出電流進行采樣，將采樣電壓通過LM358運放放大如公式（2-6）

14、所示倍數(shù)AU，輸送給單片機檢測。電壓檢測使用1：1的電壓分配比，在輸出端將輸出電壓縮小2倍輸送給單片機檢測。 (2-6)圖3.2 電流電壓檢測電路圖3.1.3單片機電源電路設(shè)計為了盡量減小系統(tǒng)的功耗，本設(shè)計采用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596構(gòu)成穩(wěn)定的5V輸出給單片機供電，其供電效率達到80%。綜上所述，本設(shè)計的主電路即串聯(lián)開關(guān)電源與測控電路即電流電壓檢測電路的總體電路圖如圖3.3所示。圖3.3 總體電路圖3.2程序的設(shè)計3.2.1程序設(shè)計思路1）穩(wěn)壓控制模塊： 在測試的過程中，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)在電路中的電流表由于具有內(nèi)阻，使電流表產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致供電效率降低，輸出到負載的電壓值降低。本設(shè)計通過程序設(shè)計，檢測

15、出電流表的電壓損耗，使輸出電壓仍然保持穩(wěn)定的8V。2）均流控制模塊：通過高端電流檢測電路，將電流的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化，單片機檢測電壓值的變化從而確定輸出的電流值。因此需要確定轉(zhuǎn)換的電壓值與電流的關(guān)系，表1為電流值測量的標定實驗數(shù)據(jù)。表1 電流測量標定電壓/V電流/A0.6940.3641.5620.8012.3391.1922.7461.3983.6321.8454.0752.0764.7642.4314.9722.542數(shù)據(jù)分析結(jié)論：由以上數(shù)據(jù)分析得知，電流與電壓檢測值之間的關(guān)系式如公式（2-7）所示，Io為輸出電流，V為檢測的電壓。Io= 0.5088V + 0.005 (2-7)3.2

16、.2程序功能描述與流程圖根據(jù)題目要求軟件部分主要有以下三個部分，分別為穩(wěn)壓均流控制模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊。1）穩(wěn)壓均流控制模塊：實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓和穩(wěn)定兩個DC/DC模塊輸出電流功能。2）鍵盤：設(shè)置兩個DC/DC模塊的輸出電流比例。3）顯示部分：顯示供電電壓值、供電電流值、兩個DC/DC模塊的輸出電流值和比例系數(shù)、總輸出電壓值和電流值。穩(wěn)壓均流控制模塊的程序流程圖如圖3.4所示，圖3.4 穩(wěn)壓均流控制模塊4測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器與測試框圖測試儀器：VC980+數(shù)字萬用表，數(shù)量為三個。在20V直流電壓檔的準確度為（0.05%+5），分辨力為0.001V；在200V直流電壓檔的準確度

17、為（0.05%+5），分辨力為0.01V。在200mA直流電流檔的準確度為（0.8%+6），分辨力為0.01mA；在20A直流電流檔的準確度為（2.0%+15），分辨力為0.001A。測試示意圖：圖3.5 測試示意圖測試步驟一：輸出電壓值檢測。調(diào)節(jié)負載電阻使測試點3和4的電流值均為2A，保持負載電阻不變，觀察電壓表的示數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。測試步驟二：額定功率的供電效率。調(diào)節(jié)負載電阻使測試點3和4的電流值均為2A，記錄測試點1和6的電流表示數(shù)。保持負載電阻不變，記錄兩個電壓表的示數(shù)。測試步驟三：均流效果。使總電流分別為1A、1.5A和4A，觀察測試點3和4的電流表示數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。測試步驟四：任意比例均

18、流效果。首先手動設(shè)定兩個開關(guān)電源模塊的輸出電流比例，調(diào)節(jié)負載電阻使測試點6的電流在之間變化，確定負載電阻后觀察測試點3和4的電流表示數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。測試步驟五：過流保護和自動恢復(fù)功能測試。調(diào)節(jié)負載電阻使測試點6的電流值超過為4.5A，觀察測試點3和4的電流表示數(shù)并記錄數(shù)據(jù)，當兩個電流表的示數(shù)為零時，重新調(diào)整負載電阻使輸出電流小于4.5A,觀察兩個電流表并記錄數(shù)據(jù)。4.2測試結(jié)果及分析按測試步驟一，測試額定功率下，總輸出電壓值。測試結(jié)果如表2所示。表2 額定功率下輸出電壓測試數(shù)據(jù)實際值/V絕對誤差/V相對誤差/%8.0760.0760.958.0410.0410.51258.0590.0590.7

19、3758.0740.0740.9258.060.060.758.0840.0841.05由以上數(shù)據(jù)得知：額定功率下輸出電壓在8V的0.1V以內(nèi)。按測試步驟二，測試額定功率下的供電效率，測試結(jié)果如表3所示。表3 額定功率下供電效率測試數(shù)據(jù)供電電壓/V供電電流/A總輸出電壓/V總輸出電流/A實際效率/%23.892.4118.0464.87668.1124.061.9668.0494.0368.5724.061.9758.0714.01668.2124.051.968.0684.01768.7524.061.9638.0574.01968.5624.071.9558.055468.47由以上數(shù)據(jù)得

20、知：額定功率下供電效率大于68%。按測試步驟三，測試輸出總電流為1A、1.5A、4A時各個開關(guān)電源模塊的均流效果，測試結(jié)果如表4、5、6、7、8和9所示。表4均流效果（1A）模塊1測試數(shù)據(jù)理論值/V 實際值/V 絕對誤差/V相對誤差/%0.5050.5000.0050.9900.5020.4940.0081.5840.5040.4990.0061.1190.5010.5020.0010.1980.5000.5000.0000.0000.4980.4940.0040.693表5均流效果（1A）模塊2測試數(shù)據(jù)理論值/V 實際值/V 絕對誤差/V相對誤差/%0.5050.510.0050.9900.

21、5010.50.0010.2000.5000.50.0000.0000.5030.5060.0030.5960.4980.5010.0040.704由以上數(shù)據(jù)得知：當輸出總電流為1A時，開關(guān)電源模塊1和2的輸出電流相對誤差絕對值小于1%。按測試步驟五，測試輸出總電流為1.5A時各個開關(guān)電源模塊的均流效果，測試結(jié)果如表6和7所示。表6均流效果（1.5A）模塊1測試數(shù)據(jù)理論值/V 實際值/V 絕對誤差/V相對誤差/%0.4970.50.0030.6710.4970.50.0030.6040.4970.4990.0020.4700.4960.4990.0030.6720.4930.4950.0020

22、.3380.4970.50.0030.671表7均流效果（1.5A）模塊2測試數(shù)據(jù)理論值/V 實際值/V 絕對誤差/V相對誤差/%0.9930.990.0030.3360.9940.9910.0030.3020.9930.9910.0020.2350.9910.9880.0030.3360.9870.9850.0020.1690.9930.990.0030.336由以上數(shù)據(jù)得知：當輸出總電流為1.5A時，開關(guān)電源模塊1和2的輸出電流相對誤差絕對值小于0.4%。按測試步驟六，測試輸出總電流為4A時各個開關(guān)電源模塊的均流效果，測試結(jié)果如表8和9所示。表8均流效果（4A）模塊1測試數(shù)據(jù)理論值/V 實

23、際值/V 絕對誤差/V相對誤差/%2.0222.0200.0020.0992.0152.0050.0100.4722.0372.0400.0030.1472.0152.0250.0100.4962.0252.0440.0190.938表9均流效果（4A）模塊2測試數(shù)據(jù)理論值/V 實際值/V 絕對誤差/V相對誤差/%2.0222.0240.0020.0992.0152.0240.0100.4722.0372.0340.0030.1472.0152.0050.0100.4962.0252.0060.0190.938由以上數(shù)據(jù)得知：當輸出總電流為4A時，開關(guān)電源模塊1和2的輸出電流相對誤差絕對值小于0.4%。按測試步驟七，測試在保持輸出電壓為8V0.1V時，控制輸出總電流在1.53.5A內(nèi)變化，兩個開關(guān)電源模塊在0.52A內(nèi)按比例1:2、1:4、1:7、1:10、1:12、1:15分配的測試結(jié)果如表10和11所示。表10均流效果模塊1(3A)測試數(shù)據(jù)理論值/A實際值/A絕對誤差/A相對誤差/%0.9941.0000.0060.6030.6320.6280.0040.6320.3750.37