2023年全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎論文初稿-并聯(lián)直流供電電源

PAGEPAGE13摘要本系統(tǒng)設(shè)計了低功耗高效率的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)，以集成降壓電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS5450為DC/DC控制模塊核心，以超低導通電壓的新型二極管LTC4352作為保護二極管，以超低功耗的高速單片機MSP430F2816為控制系統(tǒng)核心。采用數(shù)字和模擬兩種反響調(diào)節(jié)的方法，實現(xiàn)了兩路電流在0.5A--1A的范圍內(nèi)以任意比例分配，兩路輸出的相對誤差絕對值小于1%，并且通過負反響調(diào)節(jié)使輸出電壓穩(wěn)定在8V0.1V，整體系統(tǒng)以低功耗高效率為設(shè)計標準，供電系統(tǒng)的效率在80%以上。關(guān)鍵詞開關(guān)電源并聯(lián)供電電流均流低功耗DC/DC模塊反響調(diào)節(jié)目錄緒論1TOC\o"2-2"\h\z\t"標題1,1"第1章方案論證與設(shè)計11.1DC/DC控制模塊11.2電壓電流控制及均流1第2章電路設(shè)計與參數(shù)計算42.1系統(tǒng)主控電路42.2DC/DC控制模塊電路52.3電壓電流控制及均流電路7第3章系統(tǒng)功能與軟件設(shè)計73.1系統(tǒng)功能設(shè)計73.2主控軟件結(jié)構(gòu)93.8調(diào)試14第4章系統(tǒng)測試與分析144.1系統(tǒng)參數(shù)測試144.2系統(tǒng)功能測試164.3測試結(jié)果分析17第5章技術(shù)總結(jié)與展望17參考資料18附錄19附錄一測試儀器清單19附錄二元器件清單19附錄三原理電路圖19附錄五源程序19緒論問題的提出隨著功率電子技術(shù)的開展，開關(guān)電源在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制PWM控制和場效應管構(gòu)成。在大功率DC／DC開關(guān)電源中，為了獲得更大的功率，特別是為了得到大電流時，經(jīng)常采用多個單元并聯(lián)的方法。多個單元并聯(lián)具有高可靠性，并能實現(xiàn)電路模塊標準化。然而在并聯(lián)中遇到的主要問題就是電流不均，特別在加重負載時，會引起較為嚴重的后果，因此采用均流就顯得十分重要，它能把電流按一定的比例適當非配到各個單元，既能增加供電的平安性，又能提高供電的效率。保證系統(tǒng)在不斷電的情況下更換系統(tǒng)的失效模塊，提高了系統(tǒng)的可維護性。分布式的電源系統(tǒng)具有很好的靈活性，可以將模塊的開關(guān)頻率進一步提高，從而提高模塊的功率密度，使電源的體積，重量下降。系統(tǒng)的單個模塊的電流應力減小，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，開關(guān)電源的效率高，功耗低，這為開關(guān)電源提供了廣闊的開展空間。設(shè)計開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)涉及到DC/DC穩(wěn)壓變換模塊、電流電壓檢測和均流等內(nèi)容，下面簡單介紹其根本原理。DC/DC穩(wěn)壓變換模塊是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。DC/DC變換是將原直流電通過調(diào)整其PWM〔占空比〕來控制輸出的有效電壓的大小。電流電壓檢測和均流在大功率DC／DC開關(guān)電源中，為了獲得更大的功率，特別是為了得到大電流時，經(jīng)常采用多個單元并聯(lián)的方法。然而在并聯(lián)中遇到的主要問題就是電流不均，特別在加重負載時，會引起較為嚴重的后果，因此采用均流就顯得十分重要，它能把電流按一定的比例適當非配到各個單元，既能增加供電的平安性，又能提高供電的效率。在本系統(tǒng)中我們采用兩個開關(guān)電源單元并聯(lián)的方案。方案論證與原理設(shè)計1.1開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖要求設(shè)計制作一個有兩路額定功率均為16W的8V的DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中我們采用兩個開關(guān)電源單元并聯(lián)的方案。保證輸出電壓為8V,并且能按預置的比例在適當?shù)姆秶鷥?nèi)自動分配電流，到達均流的目的。圖1-1兩個DC/DC模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.2DC/DC控制模塊方案方案一：降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。輸出電壓可調(diào)范圍是1.2V--37V，誤差范圍為4%，能夠輸出最大3A的驅(qū)動電流。功耗低，關(guān)斷電流僅為80uA，具備過壓保護和過熱保護功能。方案二：降壓轉(zhuǎn)換器TPS5450由集成電壓轉(zhuǎn)換器芯片TPS5450作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，TPS5450是一款低功耗的降壓型集成穩(wěn)壓芯片，輸出電壓范圍是5.5V—36V，誤差范圍是百分比是1.5%。最大輸出電流為5A。關(guān)斷電流僅為18uA，具備過壓保護和過熱保護功能。工作溫度范圍是-40—125。+24V電源經(jīng)過降壓穩(wěn)壓后輸出要求的電壓8V?；诘凸暮秃喕O(shè)計的考慮，題目要求發(fā)揮的輸出電流范圍為1.5V—3.5V，輸出電壓范圍要求為8.0V+0.4V，誤差范圍為5%，而TPS5450最大輸出電流為5A，誤差范圍僅為1.5%，而且關(guān)斷電流18uA遠遠小于LM2596的80uA的關(guān)斷電流，所以我們選擇以集成電壓轉(zhuǎn)換器芯片TPS5450為核心的DC/DC控制模塊方案。1.3電流反向保護模塊方案因為存在兩路供電，有可能出現(xiàn)一路電流過大而另外一路電流很小的情況，這時會造成電流反向流入另外一路損壞器件，因此需要加電流反向保護模塊，防止電流反向。在本系統(tǒng)中我們選擇真二極管LTC4352，LTC4352是一款低壓差的二極管，輸入電壓范圍是2.9-18V,的管壓降只有25mV，遠遠小于普通二極管0.7V的壓降，因此用它來作為單向?qū)ǖ谋Ｗo二極管不會對整體的電壓輸出造成較大的影響。1.4電壓電流檢測單元方案為了到達題目要求的輸出穩(wěn)定的+8V電壓和按比例分配的電流，需要通過反響調(diào)節(jié)電壓和電流，因此我們對輸出的電流進行取樣，以電壓的形式輸出。為了不影響后級負載同時又要保證精度，我們選擇用康銅絲制做精密小電阻，大小僅為幾十毫歐，通過約1A左右的電流后產(chǎn)生幾十毫伏的電壓，通過差分放大器后得到取樣電壓，然后把得到的電壓送入控制單元進行反響控制。圖1-2電壓電流檢測示意圖1.5電流均勻分配方案方案一：模擬方法控制題目要求使負載電流在1.5~3.5A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可在〔0.5~2.0〕范圍內(nèi)按指定的比例自動分配，利用模擬電路進行控制簡單可行，只需要和采樣的精密電阻并連上幾個大電阻，因為精密采樣電阻只有幾十毫歐的大小，并連上一個幾十千歐大小的電阻對采樣電阻的采樣電壓幾乎沒有影響。通過改變并聯(lián)電阻大小就能改變電流的分配比例，采用模擬控制時只需要對一路進行采樣，通過精密電阻對電壓進行取樣，分別經(jīng)過查分運放后再和參考電壓一起經(jīng)過減法器送入集成電壓轉(zhuǎn)換器芯片TPS5450的反響端對輸出電壓和電流經(jīng)行控制。圖1-3模擬器件控制示意圖方案二：數(shù)字方法控制直接采樣數(shù)字控制，對采樣的電流和電壓經(jīng)行轉(zhuǎn)換后送入單片機經(jīng)過設(shè)計的算法經(jīng)行運算后輸出反響電壓再送入集成電壓轉(zhuǎn)換器芯片TPS5450反響端對輸出電壓和電流經(jīng)行控制，直接用數(shù)字器件控制在硬件電路上實現(xiàn)起來簡單，電路簡單，不需要額外增加運放。只需要設(shè)計適宜的算法就能輸出適宜的反響電壓，而且通過算法設(shè)計用程序控制比例系數(shù)可以設(shè)置任意的比例，控制非常方便，而且可以實時修正各個反響參數(shù)，及時調(diào)整反響電壓，可以提高輸出電壓的精確度，而且設(shè)計高效的算法可以減少電源電流的波動，使輸出快速到達穩(wěn)定。圖1-4數(shù)字器件控制示意圖方案三：模擬和數(shù)字結(jié)合控制模擬電路進行控制簡單可行，數(shù)字電路控制方便高效，可以吧兩者有效的結(jié)合起來使用，利用電位器來完成電流比例的分配，通過調(diào)節(jié)電位器改變送入差分放大的采樣電壓，以此來反響調(diào)節(jié)電流分配比例。用數(shù)字器件來實現(xiàn)任意比例的分配。這樣在一般情況下只需要撥動選擇開關(guān)就能改變幾種常用的比例分配，在實現(xiàn)其它比例分配的時候，就可以通過數(shù)字器件來控制，通過與單片機相連的控制鍵盤就能方便的改變比例分配系數(shù)。通過一個開關(guān)就能選擇是利用模擬器件控制或者數(shù)字器件控制。示意圖如圖1-5。圖1-5模擬和數(shù)字器件結(jié)合控制在本系統(tǒng)中要求每個模塊的輸出電流相對誤差的絕對值不大于2%，精度要求較高，因此肯定會用到數(shù)字器件控制，但模擬器件控制可以脫離控制系統(tǒng)獨立工作，工作的可靠性可以得到保障，在控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下照樣能夠正常工作。因此最終選擇方案三。1.6系統(tǒng)供電方案為了降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的效率，本系統(tǒng)選用用降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器LM2576轉(zhuǎn)換高電平24V輸入，AS1117-3.3與AS1117-5低壓線性穩(wěn)壓電源芯片輸出供電給運放模塊和單片機控制模塊，且AS1117的特性適合開關(guān)電源的后級穩(wěn)壓。圖1-6穩(wěn)壓電路示意圖AS1117-3.3輸出3.3V電源為單片機供電，AS1117-5輸出+5V電源為系統(tǒng)的其它芯片供電。AS1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當輸出1A最大電流時，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V,而且多用于開關(guān)電源的后級穩(wěn)壓。輸出電壓電壓線性度為0.2％，精度高達±1％，穩(wěn)定度好，因此對本系統(tǒng)非常適用。1.7整機設(shè)計方案框圖通過上述方案論證，我們選擇集成降壓穩(wěn)壓芯片TPS5450作為DC/DC控制模塊方案，選擇真二極管LTC4352作為反向保護，采取模擬和數(shù)字相結(jié)合的控制方法。開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1-6所示。圖1—7整機設(shè)計方案框圖整體系統(tǒng)的反響控制示意圖如圖1-7圖1-8反響控制示意圖設(shè)置四個變量分別為：由反響電路控制關(guān)系得到：〔1-1〕預設(shè)兩路電流分配關(guān)系為，那么得到：，得到，同理可求出，所以只要對反響系數(shù)加以控制，就能使輸出到達穩(wěn)定。而這些反響系數(shù)既可以通過模擬的方法來實現(xiàn)，也可以通過數(shù)字的方法來實現(xiàn)，模擬方法就是通過控制取樣比例系數(shù)和放大倍數(shù)來控制，數(shù)字局部直接利用單片機控制A/D、D/A利用算法來實現(xiàn)。用模擬控制方法時，因為本系統(tǒng)是單電源供電，因此在系統(tǒng)設(shè)計中，只要滿足兩路反響，就能完成減法運算。而節(jié)省了必須用雙電源供電帶來的額外功耗和電路復雜度。功能電路設(shè)計與參數(shù)計算該程控濾波器電路由DC/DC降壓穩(wěn)壓模塊、電流電壓檢測及均流電路模塊、系統(tǒng)控制電路以及系統(tǒng)供電電路等局部組成。2.1DC/DC降壓穩(wěn)壓模塊本模塊以集成電壓轉(zhuǎn)換器芯片TPS5450為核心，+24V電源由POWER端輸入，輸出電壓通過內(nèi)部反響調(diào)節(jié)穩(wěn)定在+8V。輸入電壓+24V經(jīng)vin端輸入，TPS5450內(nèi)部參考電壓為1.221V，誤差為1.5%,反響端由vsense端輸入，經(jīng)過比較器和內(nèi)部的產(chǎn)生的鋸齒波比較，當時，產(chǎn)生高電平，當時，產(chǎn)生低電平，從而產(chǎn)生PWM信號，當反響電壓值不同時通過比較器產(chǎn)生的PWM信號的占空比不同，信號有效值就不一樣，經(jīng)后續(xù)變換后產(chǎn)生的電壓有效值就不一樣，如此反復調(diào)節(jié)直到反響電壓穩(wěn)定在1.221V，此時輸出電壓就能穩(wěn)定在8V。該局部電路圖如圖2-1所示。圖2—1DC/DC降壓穩(wěn)壓模塊+24V電壓經(jīng)TPS5450反響調(diào)節(jié)后輸出穩(wěn)定的+8V，真二極管LTC4352作為保護二極管，防止電流分配失調(diào)時倒灌損壞器件。圖中電感L2、L3作為濾波電感，電容C10、C11、C17、C18作為濾波退偶電容，去除輸出電源的干擾。2.2電流電壓檢測及均流電路設(shè)計通過精密小電阻進行取樣，該取樣電阻大約為50毫歐左右，取樣電壓經(jīng)過差分放大器INA210進行放大后得到，同時通過電阻和〔另外一路是和〕分壓后得到參考電壓和，經(jīng)集成運放后輸出和反響到TPS5450的VSENSE端調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定到8V,輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定的比例。圖2-2電流電壓檢測及均流電路反響電壓由VSENSE端引入，反響電壓取自兩局部，一局部是電流取樣后的，另外一局部是引入的反響。兩路反響共同調(diào)節(jié)使輸出穩(wěn)定。參數(shù)計算：TPS5450內(nèi)部參考電壓為1.221V,當系統(tǒng)穩(wěn)定時應有=1.221V=8V,==10K：通過計算，要取1.8k，要取1.8k。2.3控制電路設(shè)計MCU選型本系統(tǒng)的控制器我們選用TI公司的MSP430F2816單片機。MSP430是一種低功耗、高性能的16位單片機。它采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。除此之外MSP430單片機還具有超低的功耗，其電源電壓僅為3.3V。而且MSP430F2816單片機內(nèi)部集成有A/D,因此減少了外圍器件，精簡了電路，提高了效率。鍵盤與顯示因為題目要求的參數(shù)設(shè)置，我們可以通過五個自制的鍵來完成，分別控制電流比例系數(shù)的增減和步進的大小。2.4系統(tǒng)供電電路設(shè)計對于高精度的系統(tǒng)設(shè)計，要求電源的穩(wěn)定性精密度好。為了給整機提供穩(wěn)定的工作電壓，我們采用二次穩(wěn)壓、多級退耦的措施自行設(shè)計了一個精密的供電電路。對于供電要求高的模擬電路我們采取穩(wěn)壓基準二次穩(wěn)壓的方法。模擬系統(tǒng)取外部輸入電壓為+24V，第一級穩(wěn)壓LM2576輸出為+6.5V，一路引入到單片機系統(tǒng)板上經(jīng)REG1117-3.3二級穩(wěn)壓后輸出+3.3V為單片機供電，另外一路由REG1117-5.0二級穩(wěn)壓后輸出+5V，為系統(tǒng)的其它芯片供電。整機系統(tǒng)主要供電電路如圖7所示。圖2—3系統(tǒng)供電電路圖參數(shù)計算：LM2357是通過反響調(diào)節(jié)使輸出穩(wěn)定在6.5V，LM2357的內(nèi)部參考電壓是1.23V。LM324構(gòu)成跟隨器，其穩(wěn)定輸出電壓為1.221V，其前級輸入為REG1117的輸出5V通過計算，要取8.6k，要取3.23k。2.5過流保護方案題目要求具有負載短路及自動恢復功能，閾值電流為4.5A，因此我們?yōu)楸鞠到y(tǒng)設(shè)計了過流保護，通過電流取樣當大于閾值4.5A時，通過單片機輸出一個高電平對模塊進行關(guān)斷，從而起到負載保護及自動恢復功能。系統(tǒng)功能與軟件設(shè)計程序設(shè)計思想程序由主程序、定時器中斷程序、A/D中斷程序、鍵盤中斷程序四局部組成。各局部功能及流程圖如下。主程序主程序的主要工作是進行初始化，掃描鍵盤，并響應鍵盤，設(shè)定反響系數(shù)初始值。圖3-1主程序流程圖性能測試與分析4.1測試條件測試環(huán)境競賽實驗室，常溫，常濕，常壓。測試儀器表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11主要測試儀器清單序號名稱型號、規(guī)格生產(chǎn)廠家數(shù)字示波器TDS1012TEK模擬示波器SS-5702A內(nèi)蒙電子數(shù)字萬用表HP34401(2個)Agilent直流穩(wěn)壓電源DF17432L中策電子自耦變壓器0～250V東風電器4.2系統(tǒng)調(diào)試在電路板裝配好后，進行整機調(diào)試。測試供電電源：＝5.000V,=3.300V系統(tǒng)供電正常。供電電源正常工作后，改變負載，進行了過流，過壓試驗均能正常工作。把電路各局部連為一體。對控制局部進行檢測，觀察顯示局部能正常工作和鍵盤按鍵功能能實現(xiàn)，且顯示與測量值根本一致,所以電路能正常工作。4.3電路靜態(tài)工作點測試4.4系統(tǒng)功能測試顯示局部功能測試用鍵盤隨意編輯一個設(shè)定值，觀察能否交替顯示設(shè)置值和測量值，同時用電流表測量負載電流值，比較這3個值大小，相