電子電路設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGE1電子電路設(shè)計(jì)報(bào)告題目班級(jí)姓名學(xué)號(hào)2011年*月*日開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)【摘要】根據(jù)題目要求，使用IR9530芯片和“圖騰柱”電路，以MSP430F149單片機(jī)為核心控制器，輔以必要的模擬電路，設(shè)計(jì)開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)電流預(yù)置、電流檢測(cè)、電流控制、過流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)等功能。利用MSP430F149內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器、通用運(yùn)算放大器等器件形成閉環(huán)回路,在負(fù)載端分別進(jìn)行電壓、電流采樣，在調(diào)整負(fù)載時(shí)，輸出電壓保持在8.00.4V，負(fù)載電流在1.0A-4.0A時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電路可在指定比例自動(dòng)分配，每個(gè)模塊輸出的電流和相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%，供電系統(tǒng)的效率高于60%。當(dāng)電流超過閾值4.5A，自動(dòng)進(jìn)行過流保護(hù)?！娟P(guān)鍵詞】IR9530；“圖騰柱”電路；MSP430F149單片機(jī)；開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

目錄TOC\o"1-3"\u開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 1開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題） 11方案設(shè)計(jì)與論證 11.1控制核心 11.2DC-DC主回路 11.3開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 22理論分析與計(jì)算 32.1DC/DC變換器穩(wěn)壓方式 32.2電流電壓檢測(cè) 32.3均流方法 32.4過流保護(hù) 32.5儲(chǔ)能電感L和電容C的選擇 43系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì) 43.1系統(tǒng)硬件 43.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 53.2.1主程序設(shè)計(jì) 53.2.2ADC中斷處理 64系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果 74.1測(cè)試儀器 74.2測(cè)試方法 84.3性能指標(biāo) 85結(jié)論 8PAGE1PAGE9開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題）1方案設(shè)計(jì)（只需要寫自己采用的方案，不用多個(gè)方案分析）任務(wù)要求設(shè)計(jì)并制作開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。在調(diào)整負(fù)載時(shí)，輸出電壓保持在8.00.4V，負(fù)載電流在1.0A-4.0A時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電路可在指定比例自動(dòng)分配，每個(gè)模塊輸出的電流和相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%，供電系統(tǒng)的效率高于60%。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。圖1：并聯(lián)供電系統(tǒng)框圖1.1控制核心方案一：采用目前比較通用的89S52單片機(jī)。該單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算能力強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大。它能夠?qū)崿F(xiàn)外圍電路的智能控制，但作為核心控制部分使用時(shí)，如果要達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，外圍電路必須加上12位的A/D轉(zhuǎn)換器，這就使得整個(gè)系統(tǒng)硬件電路變得復(fù)雜。方案二：采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149單片機(jī)，它具有功能強(qiáng)，超低功耗特點(diǎn)。而且單片機(jī)工作有多種低功耗模式，當(dāng)單片機(jī)處于低功耗模式時(shí)，喚醒只需6us。片內(nèi)有2個(gè)帶有大量捕捉/比較模塊16位定時(shí)器，每個(gè)模塊可以輸出16位PWM波；自帶12位A/D，使得外部擴(kuò)展電路少?？紤]到題目要求，對(duì)控制要求較高，選用方案二。1.2DC-DC主回路DC-DC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低，而本題要求整機(jī)效率高，所以選擇非隔離方式，具體有以下幾種方案： 方案一：并聯(lián)開關(guān)電路形式。并聯(lián)開關(guān)電路如圖2所示。實(shí)際上此電路是在串聯(lián)開關(guān)電路后接入一個(gè)并聯(lián)開關(guān)電路。用電感的儲(chǔ)能特性來實(shí)現(xiàn)升降壓，電路控制復(fù)雜。圖2：并聯(lián)開關(guān)電路圖方案二：串聯(lián)開關(guān)電路形式。串聯(lián)開關(guān)電路如圖3所示。開關(guān)管VT1受占空比為D的PWM波的控制，交替導(dǎo)通或截止，再經(jīng)LC濾波器后在負(fù)載上得到穩(wěn)定直流輸出電壓。該電路屬于降壓型電路。由于本題只需降壓，故選擇方案二。圖3：串聯(lián)開關(guān)電路圖1.3開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路方案一：采用常用的“圖騰柱”電路。圖騰柱式的驅(qū)動(dòng)方式，一方面增加了驅(qū)動(dòng)能力，另一方面，當(dāng)PWM的輸出端為低的時(shí)候，下管為MOS的結(jié)電容提供放電回路。該電路的特點(diǎn)是輸出阻抗低，PWM驅(qū)動(dòng)波形陡峭，MOSFET的開關(guān)損耗小，而其僅需少量的分立元件即可實(shí)現(xiàn)。方案二：IR2101是專門為驅(qū)動(dòng)半橋逆變器中同臂的兩個(gè)MOSFEI而設(shè)計(jì)的高壓、高速驅(qū)動(dòng)器。IR2101采用先進(jìn)的高壓集成電路技術(shù)使其封裝在標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插外殼中；其輸入與COMS與LSTIL電容兼容；較大的脈沖電流緩沖驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)設(shè)計(jì)，使高低端的交叉導(dǎo)通的可能性降到最小；而懸浮通道技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自舉工作，且工作母線電壓可以達(dá)600V以上。綜合以上方案優(yōu)缺點(diǎn)，采用方案一。2理論分析與計(jì)算2.1DC/DC變換器穩(wěn)壓方式DC/DC采用較為普遍的PWM控制方式。通過改變PWM波的占空比來控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，從而輸出不同的電壓。用430單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器B的8M赫茲晶振產(chǎn)生30K赫茲的PWM信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算每個(gè)PWM周期有266份，已經(jīng)足夠用于精準(zhǔn)調(diào)整PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)高精度的PWM控制,保持脈沖周期不變，通過430單片機(jī)通過內(nèi)置A/D對(duì)電路采樣比較，來改變兩路開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，即脈沖的占空比，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。2.2電流電壓檢測(cè)對(duì)負(fù)載上的電壓進(jìn)行采樣，通過單片機(jī)控制PWM波的占空比，使每一路DC/DC穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定電壓。由于單片機(jī)的最大采樣電壓為2.5V，無法檢測(cè)到8V電壓，因此在輸出端并聯(lián)兩個(gè)大電阻，以分壓的方式檢測(cè)輸出電壓，從而控制并穩(wěn)定輸出電壓在8V。給負(fù)載串聯(lián)一個(gè)小電阻，通過對(duì)其兩端電壓的測(cè)量，檢測(cè)其電流，從而控制兩條支路的電流比例。2.3均流方法電源并聯(lián)擴(kuò)容的基本要求，在電源并聯(lián)后，每個(gè)電壓模塊的輸出電流應(yīng)該按照設(shè)置自動(dòng)分配實(shí)現(xiàn)均流。本系統(tǒng)通過與負(fù)載并聯(lián)一個(gè)大電阻后，通過對(duì)并聯(lián)電阻電壓檢測(cè)，經(jīng)過A/D變換，與標(biāo)準(zhǔn)8.0V對(duì)應(yīng)的PWM波占空比進(jìn)行比較，系統(tǒng)通過兩路PWM波自動(dòng)調(diào)節(jié)，按照設(shè)置分配實(shí)現(xiàn)均流。2.4過流保護(hù)DC/DC變換器實(shí)際上是一種負(fù)反饋系統(tǒng)，它通過取樣輸出誤差信號(hào)，經(jīng)過反饋控制電路處理，輸出占空比可變的脈沖信號(hào)，來控制功率通道的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。過流是指輸出電流大于標(biāo)稱輸出電流。過流時(shí)，DC/DC變換器內(nèi)部反饋處于閉環(huán)受控狀態(tài)，過流工作是一種負(fù)載異常狀態(tài)；短路是指輸出電流遠(yuǎn)大于標(biāo)稱輸出電流，短路時(shí)，DC/DC變換器內(nèi)部反饋處于開環(huán)不受控狀態(tài)，短路工作是一種負(fù)載異常極端狀態(tài)。MCU閉環(huán)控制保護(hù)，在電路輸出端串聯(lián)一個(gè)阻值很小的采樣電阻，將從負(fù)載中采得的電流經(jīng)過A/D變換，變換后的值送往MCU做比較，超過正常要求的電流值，輸出PWM波的占空比為100%，關(guān)斷電源供電，從而達(dá)到過流保護(hù)的目的。2.5儲(chǔ)能電感L和電容C的選擇擬采用開關(guān)頻率為F=30KHZ。開關(guān)的周期T=1/F=1/30KHZ=33us。理論占空比D=Uo/UI=8V/24V≈0.33us。一個(gè)周期內(nèi)處在12V電壓的時(shí)間Ton=DT=0.33*33us=11us。根據(jù)臨界條件：選110uH的電感?？紤]紋波及體積的因素，我們選擇470uF的電容。3系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件整個(gè)系統(tǒng)硬件主要包括：驅(qū)動(dòng)模塊和兩個(gè)DC/DC并聯(lián)模塊。分別如圖4，圖5。圖4：驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有A/D轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生PWM波、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、電流預(yù)置、電流檢測(cè)、電流控制、液晶顯示、報(bào)警等功能。為了將所有任務(wù)有序的組織起來，軟件系統(tǒng)采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu)。圖5：雙DCDC并聯(lián)模塊3.2.1主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，I/O口初始化，中斷系統(tǒng)和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)變量賦初值等工作；完成系統(tǒng)初始化后打開總中斷（包括AD中斷和按鍵中斷）。主程序流程圖如圖6所示。開始開始系統(tǒng)初始化使能中斷等待圖6：主程序框圖3.2.2ADC中斷處理ADC中斷程序主要是讀取從外部進(jìn)來的ADC變化值，ADC校正，電流計(jì)算并控制PWM波的占空比，以及空載檢查等功能。MSP430F149內(nèi)部的AD變換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)量，將其換算成電流后與預(yù)置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出PWM波的占空比大小。最后將反饋回來的信號(hào)轉(zhuǎn)換的電流值傳送到LCD。ADC中斷流程圖如圖7所示。ＹＹ中斷入口讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果AD值為零？計(jì)算電流控制兩路PWM更新顯示過流？置過流標(biāo)志關(guān)ＰＷＭ清過流標(biāo)志開ＰＷＭ電流正常？中斷返回空載報(bào)警置空載標(biāo)志輸出10%PWMNYＮＮＹ圖7：中斷程序框圖4系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果4.1測(cè)試儀器表1：測(cè)試儀器儀器名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)字萬用表DT-9208A+RIGOL雙蹤示波器DS1062C60MHz400Msa/sRIGOL函數(shù)信號(hào)發(fā)生器20MHz100Msa/s直流穩(wěn)壓器DF1731SLL3A直流電阻器ZX364.2測(cè)試方法用自制的電源為本系統(tǒng)所有設(shè)備供電，通過調(diào)節(jié)電阻箱來精確控制阻值的輸入，根據(jù)題目要求改變阻值來測(cè)量數(shù)據(jù)，再用示波器、萬用表測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)。4.3性能指標(biāo)測(cè)試項(xiàng)測(cè)試條件:=1:124V8.33V0.48A1A0.49A0.51A72.3%:=1:224V8.21V0.81A1.0.52A1.1A67.3%:=3:524V8.27V1.17A2.13A0.82A1.31A62.3%:=1:224V7.99V1.55A2.96A1.04A1.92A63.6%:=3:424V8.01V1.813.47A1.43A2.04A64.0%:=1:124V8.14V2,17A4A2．031.9762.5%由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，輸出電流可以控制在1A～4.5A之間，并可以按照給定比例完成調(diào)節(jié)，效率大于60%。另外發(fā)揮部分電壓在1.5A～3.5A內(nèi)，可以任意設(shè)置比例完成調(diào)節(jié)。負(fù)載電壓穩(wěn)定在8.00.4V，每個(gè)模塊輸出的電流和相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%，供電系統(tǒng)的效率高于5結(jié)論由于使用MSP430F149單片機(jī)作為中央控制器，本系統(tǒng)有功能強(qiáng)、性能可靠、體積小、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最小可進(jìn)步，精度也比較高，輸出電流范圍較寬。由于本系統(tǒng)對(duì)精度的要求較高，硬件部分中采樣電阻的熱穩(wěn)定性較好。硬件中的核心模塊為開關(guān)電源，其核心元件采用P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，其性能較好、穩(wěn)定性較高。軟件中又加入了閉環(huán)自動(dòng)校正功能，進(jìn)一步達(dá)到精度的要求。總之，本系統(tǒng)精度高，性價(jià)比高，智能化程度高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)[1]譚博