全國大學生電子設計大賽報告

1、題目名稱：開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A 題）摘要開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)是采用8位Atmega88的開關電源，主電路采用LM2576和LM2596作為兩塊并聯(lián)的開關電源。LM2576作為恒壓源，LM2596作為恒流源。該兩塊開關電源保證系統(tǒng)的效率，電流電壓調整率和輸出精度要求。系統(tǒng)具有限流保護功能，HD7279鍵盤輸入輸出等多種功能。該系統(tǒng)主要采用硬件反饋調節(jié)，調整能力強，使單片機負載小。本系統(tǒng)功能完善，在支路在0.5-2A輸出范圍內，干路電流輸出范圍使1-4A其分壓比由外界輸入。由AD采用，讀出干路電流，經(jīng)數(shù)字電位器調整恒流源工作狀態(tài)，使其自調整實現(xiàn)固定分壓比，并且電流精度滿足在百分之五以內

2、。關機或過流保護收后，具有可以記憶參數(shù)、自恢復功能。Abstract Switching power supply modules in parallel power supply system is the use of 8-bit Atmega88 switching power supply, the main circuit LM2576 and LM2596 as two parallel switching power supply. LM2576 as the voltage source, LM2596 as a constant current source. The two

3、 switching power supply to ensure efficiency of the system, current and output voltage regulation accuracy requirements. System has a current limit protection, HD7279 keyboard input and output functions. The system uses hardware feedback regulation, adjust the ability to make a small single-chip loa

4、d.The system is functional, the branch in the output range of 0.5-2A, distributors current output range 1-4A the partial pressure than by the external input. Used by the AD, to read out the current trunk, the digital potentiometer to adjust the current source working condition, to self-adjust to ach

5、ieve a fixed partial pressure ratio, and accuracy to meet the current five percent or less. After closing down or over-current protection, with memory parameters can be, since the recovery.1 方案論證與比較31.1 系統(tǒng)方案論證31.2 過流保護方案論證52 系統(tǒng)設計62.1 總體設計62.2 單元電路設計72.2.1 數(shù)字電位器電路設計72.2.2 AD轉換電路設計82.2.3 恒流部分電路設計102.2

6、.4 恒壓部分電路設計123 軟件設計134系統(tǒng)測試155 結論17參考文獻：17附錄：17附1：元器件明細表：17附2：儀器設備清單17附3：電路圖圖紙171 方案論證與比較1.1系統(tǒng)方案選擇題目分析：根據(jù)題目要求，負載端電壓為8V，允許誤差為0.4V。題目要求兩個支路電流比可調，即兩個開關電源的內阻可調。所以兩種基本方案：直接改變開關電源內阻；通過調整開關電源輸出電壓，間接改變內阻。要求效率要大于60%，所以要選用大于60%的開關電源并聯(lián)是可行的。電源應該具有掉電保護功能，可以用EEPROM來記憶系統(tǒng)重要參數(shù)。系統(tǒng)還應該具有掉電保護功能，可以通過MCU控制LM2596和LM2576的ON/

7、OFF管腳來實現(xiàn)對電路的過流保護。方案選擇:方案一、該系統(tǒng)首先對通過負載的電流和負載兩端的電壓進行采樣返回到MCU，計算出當前負載，然后根據(jù)已知的分流比，計算出I1和I2。單片機通過對開關板電壓的采樣穩(wěn)定住兩個開關電源的輸出。然后計算出兩個開關電源串聯(lián)的可變電阻的阻值的大小。通過MCU改變可變電阻的大小。方案分析：其中，根據(jù)題目要求，通過可變電阻的電流要0.5-2A，可變電阻要是大功率電阻。而實際中，數(shù)字電位器并不能承受大電流。所以不能采用數(shù)字電位器。另外一種方法是通過繼電器控制一些列的大功率電阻的導通和關閉。這種方案涉及的電路的設計比較少，雖然簡單，實際中也沒有采用。方案二、該系統(tǒng)采用兩塊開

8、關電源，在其輸出端加保護電阻。由MCU檢測負載兩端電壓和電流，計算出當前負載，然后計算當負載兩端為8V時的，通過負載應該為多大電流。然后根據(jù)輸入的分壓比，計算兩個支路應該輸出的電流。然后根據(jù)保護電阻的阻值，確定損失在保護電阻的電壓。最后通過單片機控制開關電源的電壓輸出。其中，對開關電源的輸出采用PID控制技術。方案分析：該電路靈活性比較好。能滿足題目的要求，甚至，可以任意更改需要穩(wěn)定的電壓值（本題中為8V）。但是該電路控制起來非常復雜，總共四路采樣，三路PID。主控制芯片為ATmega88，處理能力很可能會滿足不了在規(guī)定時間內穩(wěn)定的條件。所以沒有采用該方案。方案三、該系統(tǒng)采用開關恒流源和開關恒

9、壓源的方案。單片機對主干路和恒流源支路進行兩路電流采樣。該系統(tǒng)采用具有自調整功能的開關電源構建恒流源和恒壓源。其中，恒壓源負責穩(wěn)定輸出電壓，由單片機控制恒流源的電流，由恒壓源補充剩下的電流。這樣，即保證了恒壓輸出的要求，由恒流源保證了分流比。方案分析：該方案簡單可行，單片機負載小，電路多采用硬件自調整，因而具有很好的可行性。由單片機控制恒流源輸出也更具有精準性和可調整性。1.2過流保護方案選擇方案一：利用電磁繼電器作為開關，控制總電路通斷，當電流值超過4.5A時，程序控制繼電器關斷，實現(xiàn)過流保護。方案分析：此方案合理，但是需要另加電磁繼電器，對功率有一定損耗，也增加了硬件成本，雖然可行，但是并

10、不最優(yōu)。方案二： 直接利用lM2596-adj 和LM2576-ADJ 的on/off 端，實現(xiàn)對電路的控制。當電流超過4.5A時，on/off端拉高，芯片停止工作，等待，單片機電流檢測點降至2.0以下時，芯片繼續(xù)工作。方案分析： 此方案實現(xiàn)簡單，無需外加硬件，功率損耗小，但是，兩芯片同時關斷后，單片機無法正常供電，無法實現(xiàn)自動恢復。方案三： 利用LM2596和LM2576的on/off端，通過MCU，控制引腳高低電平，實現(xiàn)過流保護，單片機通過一個單獨的LM2596-5 供電，即使關斷開關電源兩路輸出，單片機也將正常工作。方案分析： 此方案硬件上略有增加，但是切斷了單片機和開關電源的電器聯(lián)系，

11、不僅有利于過流保護，還對整個電路的電氣特性有很好的改善作用。故選擇這種電流保護和自動恢復方式。2 系統(tǒng)設計2.1 總體設計系統(tǒng)框圖如下：系統(tǒng)電路圖2.2 單元電路設計 數(shù)字電位器電路設計MCP41010的內部結構MCP41010的內部含有：SPI總線接口、一個POT(電位器)。POT內有一個8 b滑刷控制數(shù)據(jù)寄存器。該電阻最大值可為10k，50k和100k，單位電阻為量程除以256。題目實際采用的是10K。MCP41010的控制方式MCP41010具有SPI總線接口，采用簡單的2 B指令結構。它的控制方式非常簡單，可以采用SPI總線通信，也可以采用軟件模擬SPI總線時序。MCP41010的指令

12、格式MCP41010的指令非常簡單，由兩段組成每段均有一個字節(jié)：第一段為命令字節(jié)，第二段為數(shù)據(jù)。命令字節(jié)中第2，3位和6，7位為無效位，不用對其操作；C1，C0為指令選擇位；P1，P0為電位器選擇位，由于MCP41010只集成了一個電位器，所以P1，P0必須設為01。在MCP41010中，C1，C0為01時為寫數(shù)據(jù)指令；C1，C0為00或11時為空操作；C1，C0為10對應關閉模式用于MCP42XXX系列數(shù)字電位器。在MCP41010中寫命令字節(jié)通常為0x11，數(shù)據(jù)字段為8 bs數(shù)據(jù)，可以置滑動端到256個端點中任何一個，因此精度非常高。MCP41010的指令序列傳輸先寫命令字節(jié)再寫數(shù)據(jù)字節(jié)。

13、為數(shù)字電位器片選端，只有為低電平時，命令字和數(shù)據(jù)字才能進入16位移位寄存器。當出現(xiàn)上升沿時，移位寄存器的值進人數(shù)據(jù)寄存器，從而改變了電位器阻值。SCK為時鐘線，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿進入SI數(shù)據(jù)線。器件會在上升沿時自動監(jiān)測低電平時SCK的脈沖數(shù)，也就是上升沿的個數(shù)，只有時鐘數(shù)為16的倍數(shù)時，命令才能執(zhí)行，否則命令失效。一個完整的MCP41010寫時序包括以下幾個部分：(1)起始位。以為低電平，SCK出現(xiàn)上升沿為起始標志。(2)傳送MCP41010的命令字段。(3)傳送8 b的數(shù)據(jù)字段。(4)停止位。以SCK為低電平，CS出現(xiàn)上升沿為SPI總線傳輸結束標志?！居嬎愎剑骸緾ommand為 0x11

14、時選用10K歐姆范圍，PB0有效。理論輸送BYTE理 = 電阻值R*(255/10)；但是實測數(shù)字電位器輸出范圍不到10K，僅為9.3K歐姆，因而修正后得到：實際輸送BYTE 實= 電阻值R*(255/9.3)；2.2.2 AD轉換及控制模塊電路設計【電路圖：】 先將小電阻采得的小電壓經(jīng)MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887進行采樣，將轉換的數(shù)據(jù)送mega8進行處理。MAX4172概述：MAX4172是MAX系列電流檢測放大器芯片中的一款低成本、高精度、高邊電流檢測放大器。MAX4172通過一個外接測流電阻R，來檢測負載電流，改變測流電阻的阻值即可對不同負載電流范圍進行一個大范

15、圍的輸出電壓和電流。其最終輸出電流公式：I_out=G_m*I_load*R_sense輸出電壓公式：V_out=G_m*R_sense*R_out*I_load其中，Vout 為所要求取得輸出電壓，Iload為需檢測的負載電流，Rsense為測流電阻，Rout為電壓調整電阻，Gm為MAX4172的跨導，其值為10毫安每伏。1測流電阻R_sense的選?。簻y流電阻 R_sense的選取有兩個方面的含義：一方面是指R_sense 阻值的選取, 另一方面是指R_sense采取哪種方法實現(xiàn)。測流電阻R_sense阻值的選取主要基于以下幾個原則：一電壓損失。高R_sense 阻值將會使電源電壓降低。為

16、了使電壓損失最小, 需選用阻值盡量小的R_sense 。二精確性：高R_sense 阻值可使較低的電流被更精確地測量。這是因為當檢測電壓較大時偏差就變得不顯著。為了達到最好的性能, 可選取R_sense阻值為滿刻度。檢測電流時能提供檢測電壓接近100mV（滿刻度檢測電壓的典型值）的阻值, 即R_sense100mV/I_load。三、效率和功率耗損。當電流較高水平時, 測流電阻+, , 上的功率損失將比較顯著, 選擇電阻時需要考慮這個問題,該電阻的額定功率損耗也必須考慮。同時,當該電阻由于功率較高溫度升高時, R_sense的阻值也會產(chǎn)生溫度漂移。在選取測流電阻的阻值時, 以上的三個問題需要綜

17、合考慮, 阻值過高或過低都不利流的檢測。最終, 根據(jù)以上討論和系統(tǒng)需要,本電路選取阻值為 干路上0.02歐，恒流支路上為0.04歐的測流電阻 。 2.電壓調整電阻Rout 的選取： 電壓調整電阻Rout 的值確定了滿刻度輸出電壓范圍，而由要求的滿刻度輸出電壓必須小于等于芯片電源電壓輸入減1.2V，故選擇MAX4172 干路上接+5V電，支路上接+24V電?！居嬎愎剑骸縈AX4172外設電路非常簡單。其實際上為一恒流源，所以在OUT端接一個下拉電阻，進而得到其放大倍數(shù)。其關系如下：Vout=Vsense*R/100 其中Vsense為Rs+和Rs-端輸入的電壓差采樣芯片計算公式為Data=Vr

18、ef*Vin/4096其中Vin為要采樣的電壓2.2.3 恒流部分模塊設計【電路圖：】【計算公式：】硬件PID過程：電流I2經(jīng)采樣后轉為小電壓:Vi2 = V2_POUT V2_OUT，經(jīng)放大得:I_CH2 = Vi2*放大倍數(shù)B；在經(jīng)過跟隨器LM324AD（起隔離作用）得：I_FB= I_CH2；反饋至數(shù)字電位器經(jīng)分壓得Vref實，然后芯片自調節(jié)使其不斷逼近Vref = 1.23伏特。根據(jù)其調整關系，即Vfb=Vref，建立起恒流源輸出電流和數(shù)字電位器的關系，推到過程如下：設恒流源輸出電流為I，采樣電阻為R，max4172放大倍數(shù)為，數(shù)字電位器阻值為R2，其分壓電阻阻值為R1。那么經(jīng)過放大后

19、可得Vout=I*R*經(jīng)過分壓電阻分壓后得到的反饋電壓為Vfb=（1+R2R1）*Vout反饋電壓等于芯片內部基準源。Vout=Vfb聯(lián)立公式，反解電流I得到I=Vref*1*1R（1+R1R2）在實際中，該電路采用了放大100倍，采樣電阻為0.04，R1=6000總結得：I=0.3075*(1+6000/Rs)。2.2.4 恒壓部分模塊設計【電路圖：】恒壓源中，反饋電壓等于基準源。其公式如下：Vout=Vref*（1+R2/R1）此題中R2為10K，R1為1.2K，所以Vout=8V。3 軟件設計軟件流程圖如下：主流程圖 Case 子程序流程圖過流保護流程圖4 系統(tǒng)測試4.1 數(shù)字電位器電位

20、-電流測量【Rs-I】（室溫條件下）電阻/歐姆電流/AREG電阻/歐姆電流/AREG電阻/歐姆電流/AREG937.502.276242539.061.034655039.060.674129976.562.197252578.131.023665078.130.6711301015.632.124262617.191.012675117.190.6681311054.692.057272656.251.002685156.250.6651321093.751.994282695.310.992695195.310.6631331132.811.936292734.380.982705234.

21、380.6601341171.881.882302773.440.973715273.440.6571351210.941.831312812.500.964725312.500.6551361250.001.784322851.560.955735351.560.6521371289.061.739332890.630.946745390.630.6501381328.131.697342929.690.937755429.690.6471391367.191.657352968.750.929765468.750.6451401406.251.620363007.810.921775507

22、.810.6421411445.311.584373046.880.913785546.880.6401421484.381.550383085.940.905795585.940.6381431523.441.519393125.000.898805625.000.6361441562.501.488403164.060.891815664.060.6331451601.561.460413203.130.884825703.130.6311461640.631.432423242.190.877835742.190.6291471679.691.406433281.250.87084578

23、1.250.6271481718.751.381443320.310.863855820.310.6241491757.811.357453359.380.857865859.380.6221501796.881.334463398.440.850875898.440.6201511835.941.312473437.500.844885937.500.6181521875.001.292483476.560.838895976.560.6161531914.061.271493515.630.832906015.630.6141541953.131.252503554.690.8279160

24、54.690.6121551992.191.234513593.750.821926093.750.6101562031.251.216523632.810.815936132.810.6081572070.311.199533671.880.810946171.880.6061582109.381.182543710.940.805956210.940.6051592148.441.166553750.000.800966250.000.6031602187.501.151563789.060.794976289.060.6011612226.561.136573828.130.789986

25、328.130.599162電阻/歐姆電流/AREG電阻/歐姆電流/AREG8789.060.5172259335.940.5052398828.130.5162269375.000.5042408867.190.5162279414.060.5032418906.250.5152289453.130.5032428945.310.5142299492.190.5022438984.380.5132309531.250.5012449023.440.5122319570.310.5002459062.500.5112329609.380.5002469101.560.5102339648.44

26、0.4992479140.630.5092349687.500.4982489179.690.5082359726.560.4972499218.750.5082369765.630.4962509257.810.5072379804.690.4962519296.880.5062389843.750.495252結果分析： 由于室溫條件下實測數(shù)字電位器的最大阻值（送往寄存器的值為255時）為9.1K歐姆，若影響較大則所以需要修正，然后進行測量，發(fā)現(xiàn)誤差不大，在+-5%以內。我們以電流值用電流表進行測量，由于精度電表內阻較大因而其實際精確值無法測量，所以我們只能根據(jù)范圍估計其誤差，都在5%以內。4.2 功率-效率測量（室溫條件下）UinIinPinUoutIoutPout效率n240.215.048.110.4944.006340.79490923.950.286.7068.0070.514.083570.60894323.90.358.3657.9040.75.53280.66142