開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

1、2011全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽論文（本科組）題目: 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)論文編號：參賽學(xué)校：江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院參賽學(xué)生：XXX XXX XX二一一 年 九 月摘要： 本開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)由兩套模塊并聯(lián)輸出的DC/DC模塊組成，DC/DC模塊由主回路,信號處理電路和脈寬控制電路組成。通過C8051F410單片機(jī)控制保證輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流可按任意指定比例分配，從而向負(fù)載供電。主回路由半橋開關(guān)電路，全波整流電路和濾波電路等組成。單片機(jī)發(fā)出脈沖控制信號，調(diào)節(jié)脈寬，驅(qū)動(dòng)半橋開關(guān)電路，經(jīng)過全波整流，濾波輸出，同時(shí)采集輸出的電壓電流以及溫度信號反饋給單片機(jī)構(gòu)成閉環(huán)回路，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)

2、脈沖控制信號，最終使輸出電壓穩(wěn)定且輸出電流成指定比例。同時(shí)，控制數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電壓，兩模塊電流比例，電流值及溫度。經(jīng)測試，本供電系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，效率可達(dá)到72.1%，最大紋波電壓僅為40mv,電壓調(diào)整率為0.2%,負(fù)載調(diào)整率為-0.05%,散熱性能好，并帶溫度保護(hù)，是一種理想的供電系統(tǒng)。1方案比較與選擇根據(jù)題目要求，我們對以下三部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了方案比較與選擇。1.1 DC/DC變換電路程式的選擇DC/DC變換器是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。常見的斬波器有三種：Buck電路降壓斬波器，Boost電路升壓斬波器，Buck-Boost電路升降壓斬波器。由于本題并聯(lián)的兩個(gè)D

3、C/DC模塊需要將輸入電壓24V降為8V供給負(fù)載，故采用Buck電路。電路的具體程式又有以下幾種。方案一：單端正激式。單端正激變換電路既無直通的危險(xiǎn)，且沒有變壓器偏磁、磁飽和問題，可靠性高。但其功率變換器磁芯利用率低，故效率較低，一般適用于小功率電路。方案二：單端反激式。單端反激電路原理簡單，控制方便，但在輸出功率相同的情況下，功率管通過電流大，導(dǎo)通壓降高，損耗大，故效率和可靠性較低。方案三：半橋全波式。半橋全波式電路的效率較高，適用于中大功率的場合。方案四：全橋式。全橋式電路的功率最大，效率較低，但“直通現(xiàn)象”和變壓器的單向偏磁問題會影響電路性能和效率。由于本系統(tǒng)中兩DC/DC模塊的額定輸出

4、功率為16W，又考慮到效率，故采用方案三。1.2 脈寬控制單元的選擇方案一：采用TL494芯片調(diào)制脈寬。TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可由用戶任意設(shè)定，便于單片機(jī)控制。同時(shí)，該芯片的15、16引腳與外接電阻構(gòu)成反向比例運(yùn)算放大電路，可起到限流保護(hù)的作用。方案二：采用UC3842芯片調(diào)制脈寬。UC3842芯片的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5V固定不變，用戶不能自行設(shè)定，不便于單片機(jī)控制。鑒于以上分析，采用方案一。1.3 單片機(jī)的選擇方案一：采用AT89S52單片機(jī)。該單片機(jī)簡單，使用方便，但內(nèi)部沒有A/D采

5、樣模塊，無法對模塊實(shí)現(xiàn)PWM控制，且輸出端帶負(fù)載能力差。方案二：采用PIC16F72單片機(jī)。該單片機(jī)運(yùn)行速度高，功耗低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但僅有1個(gè)捕捉/比較/PWM模塊，無法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊的PWM控制。方案三：采用C8051F410單片機(jī)。該單片機(jī)指令執(zhí)行速度快，內(nèi)部具有12位的A/D和D/A采樣模塊 ，轉(zhuǎn)換精度高，并有6個(gè)捕捉/比較模塊，足以實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)模塊的PWM控制。本系統(tǒng)中要求對兩個(gè)獨(dú)立模塊進(jìn)行PWM控制，故采用方案三 。2理論分析與計(jì)算2.1 DC/DC變換器穩(wěn)壓方法 要使DC/DC變換器將輸入的24V轉(zhuǎn)換為8V并始終穩(wěn)定在8V左右，必須通過逆變、變壓、整流濾波、反饋等過程。逆變過程采用半橋

6、逆變電路，因?yàn)槠浜唵?，使用器件少，適用于本題24V低電壓一類的中小功率逆變電路。變壓過程采用高頻變壓器，半橋逆變器中的兩個(gè)場效應(yīng)管輪流導(dǎo)通產(chǎn)生40KHZ的高頻脈沖波，因此需要高頻變壓器進(jìn)行變壓輸出交流電，輸出的交流電經(jīng)整流濾波得到平滑的直流電。為使該直流電壓穩(wěn)定在8V左右，采用脈寬調(diào)制控制集成芯片TL494，它能將采集到的輸出電壓反饋回單片機(jī)，并與控制電壓進(jìn)行比較，經(jīng)放大器放大，從而控制占空比，控制輸出電壓，使其最終穩(wěn)定。2.2 電流電壓檢測電壓檢測：將正輸出端電壓通過兩阻值分別為R10和R11的電阻引到地端，如圖1所示，檢測R11電阻上的電壓，根據(jù)分壓關(guān)系，即可檢測到輸出電壓。由于采樣得到的

7、電壓信號經(jīng)過運(yùn)放送給單片機(jī)，而C8051F410單片機(jī)的可編程內(nèi)置基準(zhǔn)電壓為2.2V，則要求采集到的電壓信號為2.39V，根據(jù)，而8V，于是計(jì)算得0.43，故選取，。圖1 電壓檢測部分電流檢測：在輸出回路串入一個(gè)阻值很小的電阻R7，其阻值為0.05,由于右端接地，檢測其左端電壓，再根據(jù)歐姆定律，即可檢測到總輸出電流，如圖2所示。同理，在兩DC/DC模塊支路中也分別串入小阻值電阻，則可檢測到兩支路的輸出電流。圖2電流檢測部分2.3 均流方法將檢測到的支路電流送入C8051F410單片機(jī)的兩個(gè)端口，與設(shè)定電流進(jìn)行比較，經(jīng)比較放大器進(jìn)行放大，從而控制脈沖寬度，調(diào)節(jié)支路電流，使之最終達(dá)到相等。如圖3所

8、示。Uo=8VIN=24V電流反饋電流反饋I2I1IOIINDC/DC模塊DC/DC模塊CPUPWM控制圖3均流示意圖2.4 過流保護(hù)在整個(gè)電路圖中，各支路的電流是不一樣的，某時(shí)刻某部分可能會出現(xiàn)較大的電流，會燒壞元器件甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此需要采取過流保護(hù)措施。舉例說明本電路中兩處采取的過流保護(hù)措施。2.4.1 TL494實(shí)現(xiàn)的過流保護(hù)TL494片內(nèi)有電流誤差放大器，如圖4所示，15、16腳是誤差放大器的反相和同相輸入端，可用于過流保護(hù)。康銅電阻上R1的壓降，與預(yù)先調(diào)好的值進(jìn)行比較.若電流過大，輸出高電平，阻止PWM信號產(chǎn)生，開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，使輸出電壓降低，形成保護(hù)功能。一旦輸出電壓降低，導(dǎo)

9、致輸出電流降低，檢測電壓降低，電流誤差放大器就會輸出低電平，重新產(chǎn)生PWM波形，所以該電路具有自恢復(fù)功能。圖4 TL494實(shí)現(xiàn)的過流保護(hù)2.4.2 處理電流電壓信號時(shí)的過流保護(hù)檢測到的電流信號和電壓信號可能過高，會燒壞運(yùn)放甚至單片機(jī)。因此在檢測電壓端加入穩(wěn)壓二極管ZD1限制過電壓；在檢測電流端經(jīng)兩級濾波后通過IC3258引入負(fù)反饋限制過電流，如圖5所示。圖5 處理電流電壓信號時(shí)的過流保護(hù)3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)通過對題目的分析，我們設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示：DC/DC模塊負(fù)載濾波全波整流半橋開關(guān)電路脈寬控制電流電壓處理24V輸入CPU電流電壓處理DC/DC模塊2脈寬控制濾波全波整流半橋開關(guān)電路圖

10、6 供電系統(tǒng)總體框圖因此，本系統(tǒng)硬件主要包括主回路，CPU及信號處理電路，脈寬控制電路和輸入設(shè)定輸出顯示電路。3.1主回路主回路包括半橋逆變電路，全波整流電路，濾波電路，以及電流電壓檢測電路，于是設(shè)計(jì)半橋式供電主回路如圖7。圖中的Q1、Q2、C3、C4、R5、R6組成半橋逆變電路，R5、R6起到均壓作用。兩個(gè)1/2 D1及變壓器組成輸出全波整流電路，R12、R13、C5、C6組成RC吸收電路并聯(lián)在兩個(gè)1/2 D1兩端，用于抑制整流二極管兩端的過電壓。L2、C7組成LC濾波電路，電感L2使電流波形變得平滑，電容C7起到穩(wěn)壓的作用，濾除高頻成分，且使輸出電壓進(jìn)一步平滑，提高帶負(fù)載能力。通過R7電阻

11、上電壓檢測輸出電流，從而進(jìn)行電壓采樣；通過R11間接得到輸出電壓，可檢測電壓。圖7 供電系統(tǒng)主回路3.2 CPU及信號處理電路本系統(tǒng)回路控制部分采用新華龍公司的8位單片機(jī)C8051F410進(jìn)行控制,如圖8所示。C8051F410具有12位AD轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)12位DA轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，2304個(gè)RAM字節(jié)和24個(gè)I/O引腳，4個(gè)16位通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2個(gè)16位PWM模塊。單片機(jī)的P0.0腳為PWM模塊信號輸出腳，輸出信號經(jīng)過簡單的有源二階低通濾波電路，再經(jīng)過圖8中的分壓電路后與TL494的2腳相接。系統(tǒng)主回路中檢測到的電壓、電流以及溫度經(jīng)一系列穩(wěn)壓、濾波、放大、電壓跟隨后反饋回單片機(jī)，以調(diào)節(jié)

12、脈沖寬度，從而使電壓、電流、溫度穩(wěn)定。圖8中的ICL7660作用是將輸入的電平反轉(zhuǎn)，因此可將5V反轉(zhuǎn)成5V，為運(yùn)放供電。圖8 單片機(jī)C8051F410的信號處理電路3.3 脈寬控制電路本系統(tǒng)對脈寬調(diào)制采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路TL494芯片，其內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。采用TL494芯片構(gòu)成的脈沖控制電路如圖9所示，Q1Q4構(gòu)成了H橋驅(qū)動(dòng)電路。為實(shí)現(xiàn)正確驅(qū)動(dòng)H橋式驅(qū)動(dòng)電路，采用接TL494的13腳與14腳相接的推挽輸出方式。閉環(huán)反饋信號和回路控制直流電壓分別接1腳、2腳，通過TL49

13、4的誤差放大器I即1腳和2腳進(jìn)行比較放大，進(jìn)而控制脈沖寬度。9腳和10腳信號正比于脈沖寬度交替輸出驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路使得Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)Q2、Q3截止，Q1、Q4截止時(shí)Q2、Q3導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)通過變壓器驅(qū)動(dòng)了半橋功率變換器的工作。圖9 脈寬控制電路H橋電路工作時(shí)的電流流向如圖10、圖11所示。 圖10：Q1、Q4導(dǎo)通電流流向 圖11：Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)電流流向3.4 輸入設(shè)定和顯示電路的設(shè)計(jì)針對鍵入式的要求，本系統(tǒng)采用TM1668芯片，是一種帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU 數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 高壓驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描等電路。因其與單片機(jī)的通信只需三個(gè)接口，這在很大程度

14、上簡化了電路的輸入設(shè)定和顯示設(shè)計(jì)，且與單片機(jī)的通信的編程方式比較易懂，方便編程。本系統(tǒng)中TM1668的輸入和顯示電路圖如圖12所示。圖12 基于TM1668的輸入和顯示4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件是基于開發(fā)平臺的匯編程序軟件，具有友好的人機(jī)界面。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括輸入顯示模塊，單片機(jī)的PWM模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊三部分，開發(fā)過程中按照模塊化設(shè)計(jì)的思想，劃分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件的調(diào)試工作，不僅可以分工協(xié)作，也利于整機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試與修改。 4.1輸入和顯示模塊輸入：鍵掃描由TM1688自動(dòng)完成，完成一次鍵掃描需要2個(gè)顯示周期，一個(gè)顯示周期大概要T=8×500us。系統(tǒng)的鍵盤一共有16個(gè)鍵，具

15、有開始，設(shè)定，切換等功能。單片機(jī)先發(fā)出讀鍵命令之后，開始讀取按鍵數(shù)據(jù)BYTE0-BYTE4字節(jié)，讀數(shù)據(jù)從低位開始輸出。其中TM1668最多可以讀5個(gè)字節(jié)，不允許多讀；讀取字節(jié)只能按順序從BYTE0-BYTE4，不可以跨字節(jié)讀取。顯示：寄存器從外部器件傳送到TM1668的數(shù)據(jù)，地址從00H-0DH共14個(gè)字節(jié)單元，分別與芯片SEG和GIRD管腳所接的LED燈對應(yīng)。LED發(fā)光二極管顯示管，采用共陰極數(shù)碼管顯示，顯示的流程圖如圖13所示。圖13 輸入和顯示程序流程圖4.2單片機(jī)的PWM模塊本系統(tǒng)中采用單片機(jī)的PWM模塊實(shí)現(xiàn)回路控制信號的輸出。C8051F410單片機(jī)的定時(shí)器有捕捉、比較和PWM3種工

16、作模式，在使用時(shí)必須先對其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，TIMER用于PWM工作模式的初始化流程圖如圖14所示。結(jié)束初始化開始設(shè)定PORT0輸出設(shè)定為PMW工作模式設(shè)定初始工作周期（FF）清TMR計(jì)數(shù)器設(shè)定為PMW模式圖14 PWM初始化流程圖4.3單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊模擬量采集是數(shù)字系統(tǒng)必不可少的組成部分，本系統(tǒng)采用C8051F410自帶的ADC模塊對閉環(huán)反饋信號進(jìn)行了采集和數(shù)字處理。C8051F410的ADC模塊可配置到任意端口，本系統(tǒng)用到四個(gè)完整的專用寄存器，分別用于兩模塊輸出電流，輸出電壓，溫度信號的轉(zhuǎn)換。5 指標(biāo)測試考察本供電系統(tǒng)的性能參數(shù)有輸出電流穩(wěn)定性、輸出電壓穩(wěn)定性、效率、短路保護(hù)閾值電流

17、等等，且根據(jù)條件的不同，對系統(tǒng)性能參數(shù)的要求也不同。故需要對每種條件下的性能參數(shù)進(jìn)行測試。測試儀器：TDS1002B示波器，VC9801A+數(shù)字萬用表，WYJ-E(030V)穩(wěn)壓電源，滑線變阻器（10/5A）。根據(jù)題目，設(shè)輸入電壓為24V，輸入電流為，DC/DC模塊1設(shè)定輸出電流為，實(shí)際輸出電流為，輸出電流相對誤差的絕對值為，DC/DC模塊2設(shè)定輸出電流為，實(shí)際輸出電流為，輸出電流相對誤差的絕對值為，總輸出電流為，輸出電壓為，供電系統(tǒng)效率為，短路保護(hù)閾值電流為，其中，。（電壓單位均為伏特，電流單位均為安培，功率單位均為瓦特）5.1 基本要求 要求1和要求2：調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率狀態(tài)，供電

18、系統(tǒng)的直流輸出電壓=8.0±0.4V,且供電系統(tǒng)的效率不低于60%。額定功率輸出時(shí)，兩DC/DC模塊輸出電流均為2A，測試結(jié)果如表1所示。表1 額定輸出功率下的輸出電壓及輸出電流7.927.887.904.024.044.051.831.841.8572.5%72.1%72.1%由表1可知，兩模塊額定輸出時(shí)，輸出電壓從7.88變化到7.92,在8.0±0.4V范圍內(nèi)，最低效率為72.1%，大于60%,因此達(dá)到了要求1和要求2。要求3：調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.0±0.4V ，使兩個(gè)模塊輸出電流之和1.0A且按比例模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對誤差

19、絕對值不大于5%。 要求兩DC/DC模塊輸出電流均為0.5A，測量結(jié)果如表2所示。表2 總輸出1.0A且時(shí)的各模塊輸出電流及輸出電壓8.078.078.070.520.490.490.480.520.524%2%2%4%4%4%由表2可知，兩個(gè)模塊輸出電流之和1.0A且按比例模式自動(dòng)分配電流時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在8.07V，在8.0±0.4V范圍內(nèi)，模塊1和模塊2輸出電流的相對誤差絕對值最大分別為4%和4%，未超過5%，達(dá)到了要求3。要求4：調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.0±0.4V ，使兩個(gè)模塊輸出電流之和1.5A且按比例模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊輸出電流的相對誤差絕對值不

20、大于5%。 要求兩DC/DC模塊輸出電流分別為0.5A，1.0A。測量結(jié)果如表3所示。表3 總輸出1.5A且時(shí)的各模塊輸出電流及輸出電壓8.048.048.060.520.520.521.010.990.994%4%4%1%1%1%由表3可知,兩個(gè)模塊輸出電流之和1.5A且按比例模式自動(dòng)分配電流時(shí)，輸出電壓從8.04V變化到8.06V，在8.0±0.4V范圍內(nèi)，且基本穩(wěn)定，模塊1和模塊2輸出電流的相對誤差絕對值最大分別為4%和1%，未超過5%，達(dá)到了要求4。5.2 發(fā)揮部分要求要求1：調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.0±0.4V ，使負(fù)載電流在1.53.5A之間變化時(shí)，兩個(gè)

21、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)模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于2%。測量結(jié)果如表4所示。表4 負(fù)載電流在1.53.5A間變化時(shí)兩模塊的輸出電流及輸出電壓1.522.533.51：11：21：11：21：11：21：11：21：11：20.750.510.661.250.831.511.751.170.75111.341.251.671.521.752.338.077.978.078.038.077.918.067.788.067.630.740.510.990.671.220.841.471.001.731.170.761.001.011.341.281

22、.681.531.961.722.301.3%2%1%1.5%2%1.2%2%01.1%01.3%01%02%0.6%2%2%1.7%1.3%由表4可知，當(dāng)負(fù)載電流在1.53.5A之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流基本在0.52.0A間變化，并且兩輸出電流的最大相對誤差絕對值均為2%，輸出電壓從7.63V變化到8.07V，也在8.0V±0.4V內(nèi)，達(dá)到了要求1。要求2：調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓=8.0±0.4V ，使兩個(gè)模塊輸出電流之和4.0A且按比例模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于2%。 要求兩模塊輸出電流為2A,測量結(jié)果如表5所示。表5總輸出4.

23、0A且時(shí)的各模塊輸出電流及輸出電壓8.078.078.062.032.022.031.981.981.961.5%1%1.5%1%1%2%兩個(gè)DC/DC模塊輸出電流之和4.0A且按比例模式自動(dòng)分配電流時(shí)，輸出電壓從8.06V變化到8.07V，在8.0±0.4V范圍內(nèi)，且基本穩(wěn)定，模塊1和模塊2輸出電流的相對誤差絕對值最大分別為1.5%和2%，未超過2%，達(dá)到了要求2。要求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。測試結(jié)果如表6所示。表6 額定輸出功率下的輸出電壓及輸出電流7.997.958.024.054.094.071.791.781.7875.3%76.1%76.4%由表6可知，使用開關(guān)電源后，效率最高可達(dá)到達(dá)到76.4%，與表1中最高效率為72.5%相比,系統(tǒng)供