開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)全國(guó)二等獎(jiǎng)作品

開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)〔A題〕【本科組】2023年9月6日摘要在電源的實(shí)際使用過程中，各種負(fù)載對(duì)于供電的可靠性要求不同，當(dāng)單臺(tái)電源不能提供負(fù)載的全部容量的時(shí)，就需要多個(gè)電源模塊并聯(lián)使用，以提高電源的容量和運(yùn)行的可靠性。在實(shí)際的使用過程并不是簡(jiǎn)單的把各個(gè)電源并聯(lián)使用就可以讓電源平均承當(dāng)功率。這是由于電源各自參數(shù)的分散性，使得每個(gè)電源的開路電壓和內(nèi)阻均會(huì)存在差異，通常開關(guān)電源的內(nèi)阻都非常小，因此開路電壓很小的差異就會(huì)導(dǎo)致各電源的輸出電流有較大的差異，這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致各個(gè)電源的壽命衰減不一致，達(dá)不到電源的可靠性和穩(wěn)定性的要求，這就要求在電源并聯(lián)使用過程中使用均流技術(shù)。本系統(tǒng)以Buck升壓斬波電路為核心，以12c5a60s2單片機(jī)為主控制器和PWM信號(hào)發(fā)生器，根據(jù)反應(yīng)信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)做出調(diào)整，進(jìn)行可靠的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)輸出直流電壓8V，可以通過鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，最大輸出電流到達(dá)2A關(guān)鍵詞：開關(guān)電源電源并聯(lián)均流技術(shù)開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)〔A題〕【本科組】1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由DC/DC模塊、PWM模塊、電流采集模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。一、方案論證選擇方案一，間接直流變流電路：將電壓降至下一級(jí)的最簡(jiǎn)單方法是使用LDO穩(wěn)壓器。LDO具有本錢低，封裝小、外圍器件少和噪聲小的特點(diǎn)。超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優(yōu)勢(shì)，從而非常適用于作為對(duì)噪聲敏感的RF和音頻電路的供電電路。同時(shí)由于LDO采用線性調(diào)節(jié)方案，因此不存在開關(guān)期間大電流所引起的電磁干擾〔EMI〕，所以有利于對(duì)音頻放大器、RF電路系統(tǒng)或攝像機(jī)CCD感光器等的“噪聲〞開關(guān)模式穩(wěn)壓輸出進(jìn)行后置濾波。但是LDO的缺點(diǎn)是低效率，且只能用于降壓的場(chǎng)合。LDO的效率取決于輸出電壓和輸入電壓之比：?=Vout/Vin。在輸入電壓為〔單節(jié)鋰電池〕的情況下，輸出電壓為3V是，效率為90.9%，而在輸出電壓為1.5V時(shí)，效率那么下降為41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時(shí)，不僅會(huì)浪費(fèi)很多電能，而且會(huì)造成芯片發(fā)熱，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。方案二，利用由L4978構(gòu)成的可調(diào)式開關(guān)電源,L4978的最大功率僅為1W(L4978D僅為0.8W)，其具有低功率，工作穩(wěn)定，高效率等特點(diǎn)。結(jié)合降壓開關(guān)電源的原理，將L4978的輸出通過LC型低通濾波器，變?yōu)橹绷鬏敵?。L4978芯片的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1方案三，運(yùn)用降壓開關(guān)電源原理，通過控制開關(guān)，把直流信號(hào)變?yōu)镻WM波形，經(jīng)過近似無損耗的LC型低通濾波器后，變?yōu)橹绷鬏敵?。開關(guān)翻開時(shí)，電流從電源流過電感，為電容充電并且為負(fù)載提供電流；開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電源沒有連入電路，電感為負(fù)載提供電流，點(diǎn)容放電，續(xù)流二極管為整個(gè)電路提供回路，參加負(fù)反應(yīng)后，系統(tǒng)穩(wěn)定，電源的性能能得到較好的改善。原理如圖2所示。但是現(xiàn)在數(shù)字電路中通常都是通過比擬門檻電壓來構(gòu)成振蕩，而門檻電壓會(huì)因?yàn)楦鞣N原因變化，構(gòu)成的振蕩電路會(huì)有輸出頻率不夠穩(wěn)定的缺陷。圖2綜合上述三種方案，我們選用方案二。二、控制方法及實(shí)現(xiàn)方案方案一：采用脈沖頻率調(diào)制PFM(PulseFrequencyModulation)的控制方式，其特征是固定脈沖寬度，利用改變開關(guān)頻率的方法來調(diào)節(jié)占空比。輸出電壓的調(diào)整范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。方案二：采用脈沖寬度調(diào)制PWM(PulseWildthModulation)的控制方式，其特征是固定開關(guān)的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比,控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲?；谏鲜隹紤]及題目的具體要求，我們選用PWM調(diào)制方式。三、理論分析與計(jì)算1、PWM波形產(chǎn)生。PWM波有很多產(chǎn)生方法；施密特觸發(fā)器產(chǎn)生、與門〔與非門〕產(chǎn)生、555電路產(chǎn)生、晶振產(chǎn)生、單片機(jī)產(chǎn)生等。晶振能輸出非常穩(wěn)定的脈沖，是現(xiàn)代數(shù)字電路中最常用的器件，是現(xiàn)代數(shù)字電路中最常用的器件；555電路是通過3個(gè)電阻精確分壓，得到的是很精確的波形，功能強(qiáng)大，也是非常常用的器件；施密特觸發(fā)器和與門都是通過比擬門檻電壓來構(gòu)成振蕩；而門檻電壓會(huì)因各種原因變化，構(gòu)成的振蕩電路會(huì)有輸出頻率不夠穩(wěn)定的缺陷。而單片機(jī)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的PWM波型，可以調(diào)節(jié)PWM的頻率，調(diào)整PWM的占空比，更于方便控制PWM波，實(shí)現(xiàn)電壓和電流的調(diào)控。2、系統(tǒng)總體方案確實(shí)定單片機(jī)輸出PWM波形，用大功率三極管TIP42c作為開關(guān)管，把直流變成方波，經(jīng)過LC電路濾波，濾平峰尖脈沖，得到直流電壓。通過負(fù)反應(yīng)，把電壓最終穩(wěn)定在所要的數(shù)值上。系統(tǒng)框圖如圖3所示：圖33、開關(guān)器件的選擇開關(guān)器件選擇L4978。其具有輸出穩(wěn)定，輸出精度高，功耗低，具備線路降壓補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。L4978芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示：圖4效率的分析及參數(shù)計(jì)算(1)IO=2A，當(dāng)U2從15V到21V時(shí)，電壓調(diào)整率。(2)U2=18V，IO從0A到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率(3)DC-DC變換器效率,其中,。4、開關(guān)局部各參數(shù)設(shè)計(jì)電感濾波電容的選用和紋波密切相關(guān)，占空比D=Vo/Vi=8/24/0.33(比實(shí)驗(yàn)得到的低，但是可以通過反應(yīng)來穩(wěn)定輸出電壓)。當(dāng)負(fù)載取10歐，開關(guān)頻率為20kHz，紋波ΔV/Vo=0.05%的時(shí)候，根據(jù)電容電感充放電公式有μHC=VoDT2/8LΔVo=0.42*5*〔0.00005〕2/8*268*10-6μFLC低通濾波器的截止頻率f=1/〔2π√〔LC〕〕=1/〔2π√268*61.8*10-6*10-6〕≈小于開關(guān)頻率，能夠很好地濾除開關(guān)高頻噪聲。5、電流采集局部設(shè)計(jì)電流采樣我們選用ACS712，帶2.1kRMS電壓絕緣及低電阻電流導(dǎo)體的全集成、基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器IC，其特點(diǎn)是低噪音模擬信號(hào)路徑，5V單電源操作可通過新的濾波引腳設(shè)置器件帶寬，5μs的輸出上升時(shí)間，對(duì)應(yīng)步進(jìn)輸入電流，80千赫的帶寬，總輸出誤差為1.5%接近零的磁滯，以及電源電壓的成比例輸出等。典型應(yīng)用包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護(hù)。足以檢測(cè)開關(guān)電源輸出的電流。把輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出至單片機(jī)的AD輸入。電路如圖5所示。圖53電路與程序設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖3.1.2DC/DC子系統(tǒng)框圖與電路原理圖電流采集模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖電源4