开关电源模块并联供电系.pdf
1 摘要本设计以单片机作为核心，辅以Buck 电路、数字电位器作电流采集、光耦电路等电路，实现了一个由两个额定输出功率均为16W的 8VDC/DC 模块构成的开关电源模块并联供电系统的设计。系统输出电压8V 稳定，两个模块电流可以按固定比例输出,供电系统效率达到60%以上。期间，我们解决了输出电压稳定问题、双路开关电源并联均流及非均流问题、通过单片机对电流及电压进行AD采样问题等问题。本系统具有调整速度高、精度高、散热性好等特点，保证了系统稳定性。关键词：开关 电源 并联 供电AbstractThis design is based on the MCU as the core,supplemented by Buck circuit,digital potentiometer for current collection,optocoupler circuit,has achieved a two rating output power is 16W 8V DC/DC module switching power supply module parallel power supply system design.The output voltage of 8V stability,two current module can be fixed scale output,power supply system efficiency can reach above 60%.During the period,we solve the output voltage stability problem,dual switching power supply parallel current equalization and non-uniform flow problem,through the single-chip microcomputer to current and voltage of the AD sampling and other problems.The system has a high tuning speed,high precision,good heat dissipation characteristics,to ensure the stability of the system.Keyword：Switch Power supply Parallel connection Power supply 2 目录摘要1 一、方案论证 3 1.方案比较与选择3（1）DC/DC模块 3（2）控制方式设计3 2.系统总体方案描述4 二、理论分析与参数计算 5 1.DC/DC 变换器稳压方法 5 2.电流电压检测 6 3.均流方法 6 4.过流保护 6 三、单元模块设计6 1 DC供电模块设计6 2 电压电流反馈电路设计6 3 单片机控制电路设计7 4 控制算法设计7 5 主要器件介绍 7 四、系统测试及结果分析8 1.测试方法与仪器8 2.测试结果分析8 3.产生偏差原因 9 4.改进方法9 五、总结9 参考文献9附录103 一、方案论证1.方案比较与选择根据题目要求，调整负载电阻至额定输出功率状态，供电系统保持输出电压0U=8.00.4V，保证供电效率不低于60%，使两个模块输出电流之和0I=1A 且按 I1:I2=1:1 模式和0I=1.5A、5.1:1:21II自动分配电流。对此，我们考虑以下几种方案：(1)DC/DC 模块：在大功率 DC DC开关电源中，为了获得更大的功率，特别是为了得到大电流时，经常采用N个单元并联的方法。多个单元并联具有高可靠性，并能实现电路模块标准化等优点。方案一：电流源并联模式。由两路可控电流源并联，通过开关控制其给系统供电。方案二：纯 BUCK 电路并联模式。由两路独立的 BUCK 电路并联控制系统输出，给系统供电。方案三：BUCK 电路加防环流设计。BUCK 电路可以方便地用单片机控制电压输出，并联供电也没有电流源的互相干扰输出的情况。结合防环流设计的BUCK 电路能很好地实现非均分电流输出。在这里，我们选择方案三。(2)控制方式设计：方案一：利用 PWM 专用芯片产生 PWM 控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。方案二：采用单片机产生PWM 控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM 信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化，有利于提高精度。4 综合比较，我们选择方案二。2.系统总体方案描述本系统采用单片机作为数据处理和控制核心，辅以Buck 电路、数字电位器作电流采集、光耦电路等电路，系统输出电压8V 稳定，两个模块电流可以按固定比例输出,供电系统效率达到60%以上。将设计任务划分为 DC/DC 供电模块设计、电压电流反馈电路设计、单片机控制电路设计、控制算法设计。系统整体框图如下：5 二、理论分析与计算稳压原理：输出电压通过电阻分压于基准电压refV比较，其差值通过误差放大器放大为EV,通过 PWM 波调整，从而稳定电压。DC/DC 负载PWM 过流保护信号检测，通过AD 转换获得U、I1、I2 I1+I24.5A 时，切断输出，等待2秒，重新供电和 8V 电压比较，按比例调整 U1、U2 从键盘获取新设定（可有）根据当前I1、I2比值和目标比值相比较，相应调整 U1 或 U2 6 电流测量：电流检测采用在主电路中串接1 欧电阻然后通过 AD采样测量电阻两端电压实现，为了能检测两路电流，采用固态继电器切换AD采样电路。电压检测由于目标电压为8V，故加装减法器降低被采样电压再输入到单片机。均流方法：要控制电流比例关系，就要求电路中必须对各自输出的电流进行采样，通过数字电位器放大，当要实现1:1 的输出电流比例关系时，两路电源的该环节放大倍数一样，当要实现其他比例关系时，则将两路电源的该环节放大倍数进行调整，同时可监测输出电流确定。过流保护：是电流超过设定值(包括输出短路)的时候,保护电路工作,变换器工作中止。三、单元模块设计1.DC供电模块设计在输入电压和效率已确定时，使得该 DC/DC模块必须要用开关电源方式实现，由于没有限制一定要隔离输出，所以考虑使用BUCK 结构实现。同时采用 IRF840 电源芯片，通过光耦隔离与单片机PWM 输出端相连。为了防止环流产生，在并联输出端接一个大电容,从而实现了控制最大 2A电流输出。2.电压电流反馈电路设计电流检测采用在主电路中串接1 欧电阻然后通过 AD采样测量电阻两端电压实现，为了能检测两路电流，采用固态继电器切换AD采样电路。电压检测由于目标电压为8V，故加装减法器降低被采样电7 压再输入到单片机。3.单片机控制电路设计假设 1:1 均流工作，加入1 路输出电流偏大一点，由于1 路和 2路放大倍数电位器设定一样，则比较环节运放 1 输出高电压将其 FB拉高，其开关电源输出要相应降低，则其输出电流也要相应降低。同时由于 2 路电流输出相对来说教小，运放B的输出电压较低将模块2 的FB拉低，从而导致其PWM 占空比加大，输出电压抬升，自然其电流也就抬升了。4.控制算法设计本系统控制算法采用增量式控制，其主要思路为：（1）信号检测，获得I1、I2、U（2）所获信号和 8V电压对比，按设定比例同时增减U1和 U2（3）根据当前 I1、I2 的比值和目标比值对比，相应增减U1或者 U2（4）重复第一步。5主要器件介绍AT89S51 单片机的功能特点：AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4kBytes 的可反复擦写 1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和 ISPFlash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比8 的解决方案。AT89S51 具有如下特点：40个引脚；4k BytesFlash 片内程序存储器；128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；5个中断优先级 2层中断嵌套中断；2个16位可编程定时计数器；2个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内时钟振荡器。四、系统测试1.调试方法与仪器调试仪器：Xxxx 示波器Xxxx 万用表调试方法：（1）基于万用表检测的数据修正AD采样电压值。（2）测试输入电压和电流，dU，dI 和o1U，o1I效率odPP，其中oo1o1PUI，dddPUI。软件调试：本程序较大，因此采用C51 语言编写。采用自下而上的调试方法，先调试功能电路，再调试整个系统。在调试过程中与硬件的调试相结合，从而提高了调试效率。2.测试结果及分析条件：VUIN249 数据分析：由实验结果可以看出基本指标达到题目设计要求，系统稳定可靠。3.产生偏差的原因（1）采用的器件参数的是典型值，但实际器件的参数具有明显的离散性，电路性能很可能因此无法达到理论分析值。（2）电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。4.改进方法（1）使用性能更好的器件，减小产生的偏差（2）改善电路制作工艺，提高效率。五、总结本电路结构合理，功能齐全，性能优良，除个别指标外均达到了题目要求。由于时间紧张，任务较为繁重，本电路尚有不足之处。这也是我们以后努力改进的方向。开关电源模块并联供电系统设计已接近尾声,在整个设计过程中所出现的一系列问题,使我受益颇丰。在硬件的做板过程中，由于理论与实践知识水平都有限，所以出现了元件布局不恰当。焊接时制作工艺较粗糙，经常出现问题，排除起来比较麻烦。在调试过程中，硬件电路出现很多的问题，特别是对各种芯片的不熟悉，造成芯片的连接发生错误。在此期间，我们付出了很多，也收获了不少，从最初的连Protel这个最基本的制板工具都不会到现在的可以很熟练的做出自己满意的PCB，再到对 51 单片机深入的了解，使自己对电子制作积累了一定的基础，通过自己的动手，更是加深了以前对专业知识的学习与理解。希望以后在这方面还有更深入的发展。参考文献1 高吉祥 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计北京：电子工业出版社2 张占松开关电源的原理与设计北京：电子工业出版社3 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作.北京：北京航天航空大学出版社.2011.10 附录一元器件清单AT89S51单片机一片,另外 AD620、电阻、电容、电感等器件若干。附录二系统原理图1.采样11 2.系统原理图
