開關(guān)電源A施工組織設(shè)計及對策

1、-. z.2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題）【本科組】2011年9月6日開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題）摘要：在電源的實際使用過程中，各種負(fù)載對于供電的可靠性要求不同，當(dāng)單臺電源不能提供負(fù)載的全部容量的時，就需要多個電源模塊并聯(lián)使用，以提高電源的容量和運行的可靠性。本設(shè)計由51單片機為主控制器，DC/DC并聯(lián)變換電路為核心，SG2524組成的電路產(chǎn)生PWM信號，設(shè)計的關(guān)鍵是DC/DC并聯(lián)變換器，它包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件和控制模塊，單片機通過反饋電壓信號控制PWM信號的脈寬輸出做出調(diào)整，進(jìn)行可靠的閉環(huán)控制，

2、從而實現(xiàn)調(diào)整電壓電流輸出。同時設(shè)計具有輸出限流保護(hù)和輸入欠壓保護(hù)功能，本設(shè)計為了實現(xiàn)電源數(shù)字化，可實現(xiàn)輸出電壓和輸出電流的控制和顯示。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源PWM調(diào)制 DC/DC變換器 buck降壓目 錄HYPERLINK l _Toc302843002開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題） PAGEREF _Toc302843002 h 1HYPERLINK l _Toc302843003關(guān)鍵詞 PAGEREF _Toc302843003 h 11HYPERLINK l _Toc302843004系統(tǒng)方案3HYPERLINK l _Toc3028430051.1DC/DC變換電路的方案論證和選擇3HYP

3、ERLINK l _Toc3028430061.2控制電路的方案論證和選擇3HYPERLINK l _Toc3028430071.3開關(guān)電源模塊的方案論證和選擇32系統(tǒng)HYPERLINK l _Toc302843008理論分析與計算4電源變換器的設(shè)計與計算HYPERLINK l _Toc3028430094HYPERLINK l _Toc3028430102.1.2PWM波發(fā)生電路設(shè)計 PAGEREF _Toc302843010 h 5HYPERLINK l _Toc3028430112.1.3選擇合適的匹配負(fù)載 PAGEREF _Toc302843011 h 5提高效率方法的分析與計算HYP

4、ERLINK l _Toc302843012 PAGEREF _Toc302843012 h 53HYPERLINK l _Toc302843013電路與程序設(shè)計 PAGEREF _Toc302843013 h 6HYPERLINK l _Toc3028430143.1電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc302843014 h 6HYPERLINK l _Toc3028430153.1.1 系統(tǒng)電路框圖 PAGEREF _Toc302843015 h 6HYPERLINK l _Toc3028430163.1.2 DC/DC變換電路 PAGEREF _Toc302843016 h 6HYPER

5、LINK l _Toc3028430173.1.3 PWM脈沖控制驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc302843017 h 7HYPERLINK l _Toc3028430183.1.5 A/D D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 PAGEREF _Toc302843018 h 8HYPERLINK l _Toc3028430193.2 軟件的設(shè)計 PAGEREF _Toc302843019 h 9程序流程圖94HYPERLINK l _Toc302843020系統(tǒng)測試及結(jié)果分析 PAGEREF _Toc302843020 h 94.1HYPERLINK l _Toc302843021測試使用的儀器備 PAG

6、EREF _Toc302843021 h 9HYPERLINK l _Toc3028430224.2 測試方法 PAGEREF _Toc302843022 h 10HYPERLINK l _Toc3028430234.2.1 測試數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc302843023 h 10HYPERLINK l _Toc3028430245、總結(jié) PAGEREF _Toc302843024 h 10HYPERLINK l _Toc302843025參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc302843025 h 11系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機控制電路模塊、DC-DC并聯(lián)電路模塊（BUCK降壓電路）、可控

7、PWM波電路模塊、可控PWM波電路模塊，電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1 DC/DC并聯(lián)變換電路的方案論證和選擇方案一：采用TI公司的PWM產(chǎn)生芯片TL494，配以MOS管驅(qū)動芯片NCP5181,以及低導(dǎo)通電阻的PMOS管IRF9540構(gòu)成DC/DC模塊。TL494部集成兩個誤差放大器，通過反饋能對PWM信號的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而精確地調(diào)整輸出電壓。NCP5181具有高驅(qū)動能力，開關(guān)管能工作在完全導(dǎo)通或完全截止的理想狀態(tài)，從而使該DC/DC模塊具有較高效率。方案二：采用單片開關(guān)電源專用控制芯片UC3843、大功率開關(guān)管MOSFET。它的應(yīng)用電路圖如1.1圖1.1使用單開關(guān)管，

8、能降低開關(guān)管損耗，且控制容易，電路較為簡潔，但在功率較高的情況下，電感設(shè)計要求較高，經(jīng)驗成分多，設(shè)計不好會造成過大的沖擊電流，影響效率也容易使開關(guān)管損壞。優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高，電壓在一定圍可調(diào)，缺點是電路較復(fù)雜，電流小步幅精確調(diào)整圍困難。方案三： 采用DC/DC變換器、和少量外圍元器件構(gòu)成DC/DC轉(zhuǎn)換電路。優(yōu)點是電路簡單，容易實現(xiàn)，可精確小步幅調(diào)整電流輸出；缺點是電源轉(zhuǎn)換效率略低，但在仔細(xì)調(diào)整電路元件的情況下，仍可達(dá)到80%以上的轉(zhuǎn)換效率。DC/DC轉(zhuǎn)換電路使用開關(guān)電源芯片TPS5450，其輸出電壓可調(diào)，最大輸出電流可達(dá)5A，電源效率在90%以上，負(fù)載調(diào)整率低于0.1%，紋波低于30mV。TPS

9、5450可接入電壓負(fù)反饋，使輸出電壓穩(wěn)定。同時它的使能端ENA，可以用來做過流保護(hù)。TPS5450外圍連接電路簡單、穩(wěn)定性好，對器件和環(huán)境的依賴性小，如圖1.2；故本次設(shè)計我們選用方案二。圖1.21.2控制電路的方案論證和選擇方案一：采用德儀專用低功耗芯片MSP430系列。優(yōu)點是一塊超低功耗單片機、功能較強、兼容性好、性價比高；具有體積小、集成度高、以擴展、可靠性高，具有較高的數(shù)據(jù)處理和運算能力，系統(tǒng)最高時鐘頻率8MHz，且一個時鐘周期為一個機器周期，運算速度快。有利于提高電源系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)換效率，該單片機為12位A/D轉(zhuǎn)換，指令精簡，代碼轉(zhuǎn)換效率較高。但外圍電路比較復(fù)雜，切電路不易焊接。外圍電

10、路芯片價格昂貴。方案二：系統(tǒng)采用系列單片機為通用型51單片機來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。布線簡單，硬件設(shè)計節(jié)省時間；是當(dāng)前市場上流行的51系列單片機。優(yōu)點是價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，元器件容易獲得、軟件編程靈活、自由度大。本設(shè)計不需要太多借口和顯示，51單片機即可滿足需求，故選擇此方案。1.3開關(guān)電源模塊的方案論證和選擇方案一： 電源芯片采用美國國家半導(dǎo)體的LM2596ADJ它是一款降壓型的PWM調(diào)節(jié)方式的開關(guān)穩(wěn)壓電源的芯片，部振蕩源頻率為150KHz，最大輸出電流3A，最大輸出電壓40V，基本可以滿足題目要求。它通常被作為恒壓電源應(yīng)用，此時其通過電壓取樣電壓反饋穩(wěn)壓方式達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。它的框圖1.3

11、如下圖 圖1.3其工作原理是： 電源芯片的4腳Feedback端的電壓穩(wěn)定在1.23V，5腳ON/OFF端由邏輯電平來控制電源芯片的打開和關(guān)斷，1腳為輸入端，2腳為輸出端，芯片通過調(diào)整起輸出脈寬來，使4腳電壓穩(wěn)定在1.23V，流入Feedback端的電流為零，通過改變R2的值就可以改變輸出電壓的大小，影響電壓輸出的就是R1,R2的取值，現(xiàn)我們通過改變由R1，R2組成的反饋電路來實現(xiàn)我們所要涉及的穩(wěn)壓源的電路。方案二： 開關(guān)穩(wěn)壓芯片TPS5450TPS5450具有良好的特性，大電流輸出:3A;寬電壓輸入：5.5 V36 V；高的轉(zhuǎn)換效率：最佳狀態(tài)可達(dá)95%；寬電壓輸出圍：最低可調(diào)整到1.221V

12、；具有過流保護(hù)及熱關(guān)斷功能；有使能端；部有軟件動；其典型應(yīng)用電路圖如圖1.4圖1.4由于電路對轉(zhuǎn)換效率要求較高，TPS5450有高達(dá)95%的效率，故本設(shè)計選擇采用第二種方案。系統(tǒng)理論分析與計算2.1電源變換器的設(shè)計與計算Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，使輸出分量的直流分量可以通過，抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其諧波分量通過，一個周期T，開關(guān)器件接通時間t所占整個周期T的比例為占空比D;VsQ1LCR+-Q2Fs=1/Ts=switching frequencyVsQ1LD1CR+-Buck電路中，占空比越大，負(fù)載上得到的電壓也越高。正常工作模式中，輸出電壓Vout與Vin的關(guān)系是：V

13、out=（1-D）/Vin儲能電感的選擇（L）因為開關(guān)頻率f對DCDC電路變化的效率影響特別大，如果f太高，可以使充電電感和濾波電容得體積減小，但充電電感的渦流損耗、磁滯損耗及其他元件的分別參數(shù)的影響造成其他元件的損耗加大。如果f太低，充電電感和濾波電容的體積就會越大，在保證充電電感的前提下，線圈匝數(shù)增多，銅絲損耗加大。輸出二極管D和輸出電容器C的選擇升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導(dǎo)負(fù)載所需的最大電流。二極管的峰值電流Id(ma*)=ILP=5.11A，本電路可選用6A50V以上的快恢復(fù)二極管，若采用正向壓降低的肖特基二極管，整個電路的效率將得到提高。輸出電容C

14、2的選定取決于對輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。3.1硬件電路的設(shè)計 系統(tǒng)電路框圖圖3.1系統(tǒng)電路方框圖本系統(tǒng)中采用了單片機自動控制，電源芯片采用開關(guān)電源芯片TPS5450，運放電路采用精密儀表運放INA210和LM324，顯示電路采用LED數(shù)碼管 DC/DC并聯(lián)變換電路系統(tǒng)主硬件電路主要由TPS5450及外圍電路構(gòu)成DC/DC變換電路。開關(guān)電源芯片TPS5450要求的輸入電壓圍很大，為5.5V-36V，工作電壓圍在500KHz。并且能夠在-40攝氏度到-125攝氏度溫度圍正常工作。芯片的4腳VSENSE的電壓值（相對于6

15、腳GND而言）能夠穩(wěn)定在1.221V，因而可以為整個系統(tǒng)提供精確的電壓參考信號。圖3.2 PWM脈沖控制驅(qū)動電路LTC3452是0-18V理想二極管控制器，采用12引腳MSOP和DFN封裝，可防止超出圍的輸入電壓影響負(fù)載電壓，利用背對背的MOSFET和UV及OV引腳上的電壓分壓器來設(shè)置可允許的輸入電壓工作圍。該控制器用2.9V至18V的電源工作，通過使用一個外部電源，提供額外的靈活性以控制低至0V的電壓。圖3.3 采樣電路的設(shè)計產(chǎn)生的PWM從電路左端輸入，通過控制Jumper的連接控制INA210輸入端4,5的壓差。INA210儀表放大器，能將輸入的電流放大200倍輸出。單片機從6端進(jìn)行電流采

16、樣，在P10端口進(jìn)行電壓采樣。圖3.5系統(tǒng)測試及結(jié)果分析測試使用的儀器設(shè)備測試使用的儀器設(shè)備如表4.1所示。 表4-1 測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字萬用表1測試電壓、電流、電路板短路等2DM-6243L LC測試儀1變壓器和電感繞制測試儀器3HY1711-10S雙路直流穩(wěn)壓電源1提供24V電壓4GDS-820C示波器1測試PWM電路輸出波測試方法首先進(jìn)行DC/DC并聯(lián)電路模塊的測試，分別對各模塊進(jìn)行測試，在進(jìn)行整機系統(tǒng)的測試。分別各模塊的指標(biāo)、負(fù)載調(diào)整率、整機效率。測試數(shù)據(jù) 整機效率：輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流整機效率24V1A8V2.2A73% 負(fù)載調(diào)整率 在規(guī)

17、定的圍改變負(fù)載值，測量輸出端的電壓與電流值負(fù)載20歐4歐2歐8歐輸出電壓8.02V8.00V7.99V8.00V輸出電流0.4A2A4.00A1.00A測試結(jié)果分析根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，*，由此可以得出以下結(jié)論：1、2、3、綜上所述，本設(shè)計達(dá)到設(shè)計要求。總結(jié)電子設(shè)備離不開電源，電源是電子設(shè)備的重要組成部分，電源的質(zhì)量直接影響開關(guān)電子設(shè)備工作可靠性。本次我們設(shè)計buck 開關(guān)穩(wěn)壓電源，通過開關(guān)電源的設(shè)計，在進(jìn)行硬件的驗證，對分析結(jié)果進(jìn)行驗證。系統(tǒng)的開關(guān)變換器的工作原理使用的是PWM（即脈寬調(diào)制法），這種方式中，電子開關(guān)管按外加的控制脈沖信號而通斷，與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)。此次設(shè)計中，也遇到了很多問題，我們一開始由于未加反饋，使得電路無常運行，功能無法實現(xiàn)，經(jīng)過排查，終于成功。在調(diào)試過程中，通過此次設(shè)計使得我們的專業(yè)知識都有了顯著地提高，也對電源更加的了解。最后感老師的們的細(xì)心指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1 譚浩強.C程序設(shè)計：清華大學(xué)19992 建忠單片機原理及應(yīng)用J：電子科技大學(xué)20083 高吉祥全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽培訓(xùn)系列教程：電子工業(yè)，20054嘉奎.電子線路非線性別分.：高等教育，2000.55于洪珍.通信電子電路.：電子工業(yè)，20026黃智偉.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程.：高等教育，2008附錄1.元