开关电源模块并联供电系统设计报告.pdf
1开关电源模块并联供电系统开关电源模块并联供电系统设计报告设计报告参赛编号：参赛编号：61110801206111080120摘摘要：要：本文介绍了以单片机 AT89C52、光电脉宽调制器芯片 TL494 核心通过用单片机控制调节 PWM 的方法，实现单片机控制的 DC-DC 开关电源电路系统;以下垂法实现两个 DC/DC 子模块的均流；以及由数模转换芯片 ADC0804 等构成反馈以得到精确的电压输出的电路系统。由于单片机的电压不稳以及带负载能力不强，所以还包括单片机到 DCDC 开关电源之间的稳压以及低通滤波的设计，ADC0804 芯片外围电路设计，以及相关的调试与测试方法。关键词：关键词：DC-DC；开关电源；均流；开环控制；闭环控制ABSTRACTABSTRACTThe DC-DC switch circuit system based on the singlechip AT89S52,pluswideth modulation chip TL494 is mainly introduced in this report.Acircuit between singlechip and the DC-DC system is added to stable theinput voltage from the singlechip and to increase the loading ability ofit.Besides,a feedback circuit using ADC0804 is introduced to constracta closed loop,which ensures the DC output is accurate enough.Methordsfor designing and testing are also included in the parts that follow.KEYWORDSKEYWORDSDC-DC；Switch Power Supply；average electricity;Open-loop Control；Close-loop Control目录目录一、系统总述.二、DC-DC开关电源子系统.三、开关电源并联运行及其均流技术.四、控制子系统.五、数据采集.2六、控制系统程序源代码.七、实验仪器.八、参考书目3一、系统总述系统总述系统组成图 1 系统组成示意图二、二、DC-DCDC-DC 开关电源子系统开关电源子系统1 03 0V D CP W M2.5Vref51 0V D CLRSVD CD CD CD C-D CD CD CD C开关电源模块开关电源模块图 2.2DC-DC 开关电源子系统2.1.12.1.1DC-DCDC-DC 开关电源子系统开关电源子系统1.DC-DC 变换主要实现功能是把不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压。2.输入电压 Vi 为 20-30V,输出电压 Vo 为 5-10V。由积分器产生的占空比可调的 PWM 信号输入到三极管 T 的基极。2.1.22.1.2DC-DC 开关电源子系统的硬件设计1DC-DC 开关电源子系统由 TL494、开关管、储能电感及分压输出电路组成。2TL494 通过比较器对输出电压的采样进行比较放大来控制脉冲宽度，进而控制开关三级管的通断，实现脉冲宽度调制（PWM）。3开关三级管通路时，电源对电感充电；开关三级管截止时，储能电感进行放电，从而得到持续稳定的输出电压。4整个系统的电路结构如图 3-1 所示：4图 3-1DC-DC 开关电源系统结构框图2.1.32.1.3ViVi 和和 VoVo 的关系的关系表 3-1 输入输出指标2.2.1DC-DCDC-DC 电路性能指标电路性能指标2.2.2TL494 管脚配置及其功能图 3-2TL494 管脚图52.2.3TL494 工作原理及应用TL494 为本次产生 PWM 信号的核心器件，对其性能的认识在实验中有重要影响。TL494 的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。其框图见图 3-3 及其应用见图 3-4.6图 3-3TL494 工作原理图图 3-4TL494 的应用2.2.4 DC-DC 开关电源子系统的硬件电路实现电路设计见图 3-5。7R1 2R1 4R1 1R1 3C5C4R2R1C1R9R6R8R4R3C2C3R7R5a 11a 223a 34a 4b 1b 2b 3b 45678V c c10G N D0AKR1 0R La11a223a34a4b1b2b3b45678GND0a11a223a34a4b1b2b3b45678Vcc101234567891 01 11 21 31 41 51 6+inVinV图 3-5DC-DC 开关电源子系统的硬件设计三、三、开关电源并联运行及其均流技术开关电源并联运行及其均流技术1.开关电源并联运行及其均流技术方案比较根据并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法可归成两大类：下垂法和有源均流法，下垂法为模块之间只有输出端导线相连;有源均流法除了连接输出导线外，还用均流母线把各模块连在一起。1.1 下垂法下垂法（又叫斜率法，输出阻抗法）是最简单的一种均流方法。其实质是利用本模块电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。由图 1（b）可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。选择不同的电流反馈信号注入点，可以修正控制环路的反馈电压值或基准电压。图 2（a）为采用调节基准电压来改变电压参考值的方式下所对应的外特性曲线图。可见电压参考值的差异越小，均流效果越好。图 2（b）为采用调节反馈电压值来改变斜率的方式下所对应的外特性曲线图。外特性斜率越陡，均流效果越好。8图 2（a）调节基准电压图 2（b）调节反馈电压常用的下垂法均流控制框图如图 3 所示。Vi 为电流放大器输出信号，与模块输出电流成比例 Ki，Vf 为电压反馈信号，显然 V-=KvVo+KiIo，当某模块电流增加时，Vi 上升，Ve 下降，通过反馈使该模块输出电压随之下降，即外特性向下倾斜，接近其他模块的外特性，从而其他模块电流增大，实现近似均流。电压误差放大器 E/A 具有很大的直流增益 Ko，假设 Ko时，Vo=Vref/Kv-IoKi/Kv=Vomax-IoKi/Kv，改变电压环电流环的参数可以获取期望的外特性。图 3 下垂法均流控制框图下垂法的特点可归纳如下：模块之间无互连通讯线;实为开环控制，小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善;对稳压源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法可以应用在均流精度大于或等于 10%的场合;对于不同额定功率的并联模块，难以实现均流。1.2 有源均流法有源均流法是均流方法中的一大类别，其特征是采用互连通讯线连接所有的并联模块，用于提供共同的电流参考信号。一般并联变换器采用电流型控制，即电流内环和电压外环双环控制，以下把功率级和电流内环作为变换器的基本单9元。在基本单元外设计控制结构和母线连接方式，形成各类有源均流法，如主从法、平均电流法、最大电流法等。本实验由于客观因素采用下垂法。图 4 三种控制结构均流母线连接方式指如何从所有的模块中获取公共电流参考信号，表明了模块间的主从关系。图 5 显示了三种均流母线的连接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（图 5a）中，各个模块和母线之间通过二极管连接，只有具备最大电流的模块对应的二极管才能导通，均流母线上代表的是最大电流信号;平均配置（图 5b）中，各个模块和母线之间通过参数完全一致的电阻连接，均流母线上代表的是平均电流;指定配置（图 5c）中，只有人为指定的模块直接连接均流母线,成为主模块。10图 5三种均流母线连接方式系统总述四、控制子系统四、控制子系统4.1电压控制子系统实现的原理单片机输出一个 5V 的电压，并且通过单片机控制面板上面的按键通过程序的控制来实现单片机输出的直流信号也能够调节占空比，即 PWM 信号。但是由于单片机的输出电压不稳定，而且带负载能力差，所以必须经过稳压管以及反相器的整流电路，使得输出的 PWM 信号编程高电平稳定的 4V 电压，再通过低通滤波器出来一个电压可以随着 PWM 占空比可调的直流信号，然后经过光电耦合器通过改变光耦的电阻作用于 DCDC 开关电源。低 通 滤 波 器单片机P W M直 流限 流 电 阻光 电 耦 合 器11R12R13R14RDCoutVmVCEonionV 图 41电压控制子系统的硬件电路图4.2 电路功能分析4.2.14.2.14 4 011011 稳压管稳压管器件连接如图 4-2 所示。11图 4=24.2.2 有源低通滤波器有源低通滤波器实验中的有源低通滤波器实现是以通用集成运算放大器 741 作为主要元件，辅以其他分立元件，组成二阶巴特沃兹滤波器。目的在于将反相器输出的稳定 PWM波形中的直流分量出来，并且滤除任何交流高次谐波。由于我们知道，方波中的直流分量与占空比的关系为 Vctl=VH*。（其中）VH表示的是方波的高点平电压。根据这一关系，我们就可以实现通过改变单片机小系统输出的占空比变化来调整所需要的直流电压。而且由于经过了前一级的电压稳定电路，此时输出的直流电压与占空比之间的关系应该是确定而且稳定的。具体的电路连接图如图4-3 所示。图 4-3 二阶有源滤波器电路图有源低通滤波器的滤波特性为：2)(31)2/1(1)(sRCsRCRRsAu+=R1、R2 与滤波器截至频率的关系：假设 R1=R2=R，则c 与 R 值呈反比关系。增大 R 的值，可以使c 下降。当 PWM 方波的频率较低时，选择的 R 值太小，有可能使c 大于方波的低次谐波分量，从而输出的电压就会包括了除直流分量以外的交流分量，而使输出不是严格精确、稳定的值，将直接影响后级的电压控制部分的精度和稳定度。最终经过实验验证，对应我们的单片机程序，R的值改为 30K，即可保证输出电压只含有直流分量在其中。124.3 闭环控制电路当受到外界扰动时，开环控制系统本身无法消除输出量产生的偏差。闭环控制可以消除偏差，减弱由于扰动带来的影响。05V 的反馈信号，通过有源简单二阶低通滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后送给 TL494 的误差放大器 I 的 IN+同相输入端。反馈信号和设定信号通过TL494 的误差放大器 I 进行比较放大，进而控制脉冲宽度，这个脉冲空度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大器构成的隔离放大电路进行平滑和放大处理，输出一个与脉冲宽度成正比的、变化范围为 010V 的直流电压。这个电压控制执行电路，及时调整被控制量，使被控制量始终与设定值保持一致，形成闭环单回路控制。当反馈信号大于设定值时，通过 TL494 的脉宽调制作用，其 9 脚与 10 脚并联输出信号的脉宽减小，再经整流滤波电路及隔离与放大输出电路，使最后输出的直流控制信号的电压相应下降。直流控制信号通过控制电路经执行机构使被控制量下降，再进而通过传感器使反馈信号降低，形成单回路闭环控制。当反馈信号小于设定值时，上述控制过程相反。另外，还可以根据被控制系统的具体情况，来调整输入二阶低通滤波器的电容大小，使控制过程及时、准确、稳定。回路控制图见图 4-4。图 4-4 闭环回路控制电路原理五、五、数据采集数据采集5.1A/D 数据采集原理ADC0804为8 位COMS 依次逼近型的A/D 转换器三态锁定输出存取时间:135US分辨率：8位转换时间：100US总误差：正负1LSB工作温度：ADC0804LCN-070度13图5-1 ADC0804封装图4管脚说明：/CS 芯片选择信号。/RD 外部读取转换结果的控制输出信号。/RD 为HI 时，DB0DB7 处理高阻抗：/RD 为LO 时，数字数据才会输出。/WR：用来启动转换的控制输入，相当于ADC 的转换开始（/CS=0 时），当/WR 由HI变为LO时，转换器被清除：当/WR 回到HI 时，转换正式开始。CLK IN，CLK R：时钟输入或接振荡无件（R，C）频率约限制在100KHZ1460KHZ，如果使用RC 电路则其振荡频率为1/（1.1RC）/INTR:中断请求信号输出,低地平动作.VIN(+)VIN(-):差动模拟电压输入.AGND,DGND:模拟信号以及数字信号的接地.VREF:辅助参考电压.DB0DB7:8 位的数字输出.VCC:电源供应以及作为电路的参考电压.ADC0804 的典型时序如图 5-4（摘自 ADC080X 的 datasheet）14在对数字信号接口方面，ADC0804 和单片机小系统的 CPU ATMEL 89S52 是完全兼容的，从图 5-1 可以清楚地看出这一点。只要用 P4 口的 IDC26 扩展口将其与单片机小系统连接在一起，则 A/D 转换的工作就完全可以在单片机程序中进行定义和编写。六、六、控制系统程序源代码控制系统程序源代码#include#include/*/*/*/常量定义/*/*/*/*定时器初值*/#define V_T10 xfd/*SCOM9600 baud,!notice:crystal 11.0592MHz*/#define V_TH00 xEE/*5ms,!notice:crystal 11.0592MHz*/#define V_TL00 x00/*5kHz*/#define V_TH10 xEE/*5ms,!notice:crystal 11.0592MHz*/#define V_TL10 x00/*5kHz*/*addition!new!*/#define WIDTH 1000#define BS 10unsigned int xdata data_0804;/*1s 软件定时器溢出值，200 个 5ms*/#define V_T1s 50unsigned int idatasample50=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,150,0,0,0,0,0,0,0,0,0;/*其实只是为了这一个数组赋初值*/unsigned int idata sum;#define V_TFEQ 100int xdata adget=249,249,248,245,240,235,230,224,217,213,206,201,194,190,183,176,170,163,157,150,145,139,132,126,118,111,106,98,91,84,76,70,63,57,49,43,35,32,28,24,20,18,16,14,12,10,7,5,3,2,1,0;/*这是 51 组输出电压所对应的 A/D 的输出值，这也是闭环的数据比较的基础*/sbit VOUT=P14;/*这里是数据的输出口*/unsigned char th0;unsigned char tl0;/*/*/*/变量定义/*/*/*/*1s 软件定时器计数*/unsigned int clock1s;/*1s 软件定时器溢出标志，位变量*/Void init()/*中断工作寄存器初始化*/IE=0X80;IP=0X08;IT0=0;IT1=0;/*定时器工作寄存器初始化*/TMOD=0X11;TH1=V_TH1;TL1=V_TL1;TH0=V_TH0;TL0=V_TL0;/*串行通信口工作初始化，注：本例中虽未使用到串行通信口，但本段程序无妨保留*/SM0=0;/*SCOM MODE 1(8BIT UART VARBR)*/SM1=1;SM2=0;REN=1;TI=1;/*全局变量赋初值*/clock1s=0;clock1s_flag=0;16pwm_flag=1;digi_scaner=1;test_counter=0;void main()Init();While(rate!=51)if(clock1s_flag=1)clock1s_flag=0;if(rate=51)rate=0;if(rate=0)rate=51;digi0=showrate/10;/*理论输出电压的个位数*/digi1=showrate-10*digi0;/*理论输出电压的小数点后第一位*/digi2=digi_0804/16;/*实际输出的电压的 AD 转换的高 4 位*/digi3=(digi_0804-digi1*16);/*实际输出的电压的 AD 转换的低 4 位*/Rate+;七、七、实验仪器实验仪器1、YB1620 函数信号发生器2、YB1731A 5A 直流稳压电源3、YB4365 双踪示波器4、MS8261 数字万用表八、八、参考书目参考书目1、数字电子技术基础第五版阎石高等教育出版社2、模拟电子技术基础第四版童诗白 华成英高等教育出版社3、电子线路综合设计谢自美华中科技大学出版社4、电子技术基础实验段文新李银伦科学出版社5、高频电子线路第二版王卫东 电子工业出版社6、单片机实践应用与技术马长林清华大学7、8051 系列单片机 C 程序设计完全手册
