全国大赛A题开关电源模块并联供电系统设计报告.docx

开关电源模块并联供电系统2011-A题指导老师：时斌 孙其昌队员： 08级 张林 08级 宋杰 09级 汲建玲学校： 南京师范大学 学院： 中北学院摘要：本文介绍了直流均流源的原理，设计思路及方法，整个系统以MSP430单片机为控制器，控制均流，采用开关电源芯片LM2576为电源芯片。通过独立键盘控制电源电压的输出，其操作方便简单。两路电源能够在外接负载变化的情况下自动均流，整个系统具有电路简单，输出电压范围大，精度高，稳定可靠的特点，并具有过流保护及自动恢复功能，很好的达到了题目的各项要求。关键词： 均流源 MSP430 LM2576 自动均流Abstract : A DC current source was introduced in this paper . In this article we introduce a theory of a DC current source and how to design .The system is made up of MSP430 which play a role of microcontroller , and LM2576 as Power chip .the system is perfect in large output voltage range ,high precision ,high stability and in current-liminting and auto-resume .Keywords: current source MSP430 LM2576 Automatic Current 目 录 摘要2一，题目要求4二，方案论证与比较5（一）总体方案论证51.主从法52.平均电流自动均流法53.热应力自动均流法64.最大电流均流法6（二）模块的选择61单片机模块62，开关电源模块7三，系统设计9（一）总体设计思路9（二）主要电路原理分析与设计91DC/DC模块92电流检测模快103AD模块104DA模块115.过流保护12四，系统软件设计12（一）软件功能12（二）系统总体框图12五，系统测试方法与测试数据13六，总结13参考文献13一，题目要求1.基本要求（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压UO=8.0±0.4V。（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60%。（3）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO=1.0A 且按 I1:I2=1:1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。（4）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO=1.5A 且按I1:I2= 1:2模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。2发挥部分（1）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V，使负载电流 IO在 1.53.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.52.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于 2%。（2）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO=4.0A 且按I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于 2%。（3）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。（4）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有±0.2A 的偏差）。（5）其他。二，方案论证与比较（一）总体方案论证 根据题目要求，要设计两路直流稳压电源，并联输出，并能够自动实现电路均衡。常见的均流方法有：1.主从法在并联运行的电源模块单元中，选定一个电源模块单元作为主电源模块，其余电源模块作为从流电源模块，主电源模块工作于电压源方式。而从电源模块工作于电流源方式，电流值可独立设置，在这种方式下，一旦主模块失效，则整个系统崩溃，不具备冗余功能。2.平均电流自动均流法这种方法不用外加均流控制器，在个电源模块单元间接一条公共均流母线CSB，均流母线的电压Ub为N个电源模块代表各自输出电流的电压信号Ui的平均值（即代表电源系统的平均电流）。Ub与每个电源模块的取样电压比较后，通过调整放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流的目的。平均电流法可以精确的实现均流，但当公共母线CSB发生短路或接在母线的任一电源模块单元不工作时，使CSB电压下降，结果促使个电源模块输出电压下调，可能达到下限值，引起电源系统故障。3.热应力自动均流法 利用监测电源系统中每个电源模块单元的温度来实现均流，使其温度高的模块单元输出电流小，温度低的电源模块输出电流大。4.最大电流均流法 这种方法采用一套最大值比较器，每一时刻输出电流最大模块作为主模块其输出电流转化成的电压信号Ui送至均流母线CSB，即CSB上的电压Ub反映的是个电源模块单元中Ui的最大值。各从模块的Ui与Ub比较从而自动调节输出电流大到均流。 经过比较，总体上我们最终选择第四种方法（二）模块的选择 1单片机模块 方案一：采用比较通用的51系列单片机。次单片机的运算能力强，软件编外围电路的程灵活，自由度大。虽然该系统采用单片机为核心，能够实现对智能控制，单核心控制部件使用89C51时，未达到合计精度的要求，外围电路必须加上10位的高速A/D和D/A，这就是的为整个系统硬件电路比较复杂，而且10位的A/D和D/A器件价格较高，使得系统的性价比降低。 方案二：采用MSP430系列单片机此单片机功能较强，兼容性好，性价比高；具有体积小，集成度高，易扩展，可靠性高功耗小以及具有较高跌数据处理和运算能力，系统最高时钟频率8MHz,且一个时钟周期为一机器周期，运行速度快；MSP430F149单片机内部集成了12位A/D,D/A器件。通过采样，结合内部高测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试，维护和功能的扩展，性能的提高，带来了极大的便利。经过以上考虑，我们选择方案二。2，开关电源模块 方案一：电源芯片采用美国半导体的LM2576-ADJLM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路LM2576是线性三端稳压器件（如78xx系列端稳压集成电路）的替代品。它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。内部框图如图 可调电压输出的电路原理图 其工作原理是：此电源芯片的4脚Feedback端的电压稳定在1.23V，5脚ON/OFF端由逻辑电平来控制电源芯片的打开和断开，1脚为输入端，2脚为输出端，芯片通过调整起输出脉宽来使4脚电压稳定在1.23V，流入Feedback端的电流为零，通过改变R2的值就可以改变输出电压的大小，影响电压输出的就是R1，R2的取值，现我们通过改变由R1,R2组成的反馈电路来实现我们要设计的稳压源的电路。方案二：开关稳压芯片TPS5430TPS5430具有良好的特性，大电流输出：3A；宽电压输入：5.5V-36V;搞的转换速率：最佳状况可达95%；宽电压输出范围：最低可调整到1.22V ；具有过流保护及热关断功能；有使能端；内部有软启动：其典型应用电路图如图 此题我们选择方案一 三，系统设计（一） 总体设计思路经过方案的论证与比较，我们画出了最终的系统框图。如下：测流模块AD单片机DA电源模块测流负载极性反转正负5V电源开关电源本系统控制器采用超低功耗单片机MSP430F149，采用独立键盘控制电流输出，开关电源采用LM2576，电源芯片采用AS1117和TPS60401，均流通过ADS1232采样，送入单片机通过DAC7811反馈回路，实现电压电流控制，达到题目要求。（二） 主要电路原理分析与设计1 DC/DC模块为了减小纹波和电容等效感抗，我们采用电容C1贴近1 3 管脚，稳压管贴近管脚2的连接方法.2 电流检测模快本模块用电压输出，高测电流检测监控器INA270，其具有-16V至+80V的宽泛共模输入电压。解决了高共模电压下小分路压降的测量难题。注意：管脚1和管脚8两端的输入电压范围值为50mv到100mv3 AD模块 通过ADS1232模块实现数据的采集4 DA模块DAC7811是一个12位串行输入乘法数模转换器.此装置工作电压在2.7 V到5.5 V。此模块主要为开关电源提供反馈电压。其电路如图：5.过流保护 用单片机控制开关电源LM2576的ON/OFF端从而实现过流保护。四，系统软件设计（一） 软件功能本软件部分主要功能为：控制DA输出电流源的控制电压，对实际电流取样。DA输出电压的控制：我们采用预设和步进两种方法来改变电流源的控制电压。并且步进值可任意设置。（二） 系统总体框图两路DA采样控制电流的输出，起到过流保护的作用。 流程图如下：开始初始化AD采集判断电流大小设置工作方式比较DA输出控制信号达到控制目的AD采集各路电流大小结束液晶显示 五，系统测试方法与测试数据1.单个DC/DC模块测试数据负载输入输出效率功率空载电压电流电压电流PoPe1023.7V0.32A8.2V0.82A87%6.7W7.85W523.7V0.63A8.03V1.6A88%14.93W13.15W323.7V0.96A7.99V2.4A85%19.34W22.75W 2.测试结果分析 测试结果表明：输出电压8.2V,输出电流，效率均达到题目要求六，总结经过四天三夜的艰苦，我们基本达到了题目的要求，但其间我们遇到了各种各样的难题，比如：实现1:2均流时不好调节，电流测试结果显示有出入等等。在这几天里，我们全体组员不断探讨解决方案，调试程序，测试硬件，最终难点一个个被攻破。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但其间的过程对我们以后的发展很有帮助，我们将继续努力争取更大进步。现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。 开关电源内部结构这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。 直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。 隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。 非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。 开关电源内部结构图单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。 隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。 在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。 非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。 按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。 DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。 按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching） 开关电源和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。参考文献（1） 康华光主编 .电子技术基础模拟部分（第五版） 高等教育出版社（2）高吉祥主编康华光主编 电子技术基础模拟部分（第五版） 高等教育出版社（3）高吉祥主编 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路计 电子工业出版社（4）谢子美主编 电子线路设计-实验-测试（第二版） 华中科技大学出版社 （5）沈建华，杨艳琴 MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用 清华大学出版社 （6）李广弟 单片机基础 华中科技大学出版社