2011电子设计大赛A题开关电源模块并联供电系统技术报告.doc

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1、开关电源模块并联供电系统（A题）摘要本系统对效率要求非常高，所以尽量减少电路的损耗为设计的基本要求，便设计了模拟数字相组合的系统。模拟部分为BUCK降压斩波电路，数字电路部分以C8051F340单片机系统为核心，采用其内置的10位A/D， PWM信号发生器。通过AD检测到的电压和电流反馈信号来调整PWM信号的占空比，使电压稳定输出和电流按比例输出。经测试得系统的效率达到70%，电压基本稳定在8V， 4A电流下测试，电路工作正常，满足系统要求。系统的最大亮点在于：由于C8051F340内部 PWM发生器的精度和频率太低，会大大影响BUCK电路的性能，我们便将控制器的PWM输出信号经过D/A输出，

2、将此直流信号和由ICL8038产生的高频100K的三角波经高速比较器LM361来产生高频高精度的PWM信号。电路测试结果表明，这大大提高了系统的性能.一、系统方案的比较与选择1.1： 系统方案的比较与选择方案1：斩波电路模块部分采用集成芯片如MC34063、UC3842外加IR2111或者IR2104实现，由控制核心产生控制信号调节输出电压和电流。该方案能完成题目的设计要求，但电路设计调试比较复杂，控制过程也比较难。方案2：使用可编程逻辑器件（CPLD、FPGA、ARM等）作为控制系统核心，产生占空比可变PWM驱动MOS管，电源斩波部分。该系统能产生高频率高精度的PWM信号，但是运用太多集成电

3、路，性价比太低方案3：控制系统选用自带PWM信号发生器的单片机系统，方便对开关管的控制，能大大简化电路，控制方便简单。显然，方案3比方案1简洁，新颖，且性价比比方案2优越，能大大降低系统成本。1.2：选用的系统方案本系统采用BUCK降压斩波电路和单片机C8051F340控制系统实现。基本的BUCK电路简单，控制容易，且性能稳定，选用的单片机系统C8051F340具有丰富的资源：10位精度的ADC、5路PWM输出，IC调试接口等。另外考虑到C8051F340的PWM信号的精度和频率太低，会大大影响系统的性能，甚至基本要求都达不到，我们便将控制器的PWM输出信号经过D/A输出，将此直流信号和由IC

4、L8038产生的高频100K的三角波经高速比较器LM361来产生高频高精度的PWM信号。电路测试结果表明，这大大提高了系统的性能.二、详细系统描述2.1：系统原理框图按键PWM占空比调节 DC-DC模块MOS驱动电路C8051F340单片机系统显示反馈信号的采集 图2.1-1 原理框图 2.2：系统各模块电路2.2.1：电源模块：+5V电源图2.2.1-1 +5V电源：+12V电源图2.2.1-2 +12V电源：-5V电源图2.2.1-3 -5V电源由于系统设计要求不能用线性电源和现成的DC-DC模块，所以本系统使用LM2576模块来制作系统需要的电源。对于产生正电压的公式为：Vout=1.2

5、3*（1+R2/R1）。本电源模块性能稳定，效率很高，功率大，满足本系统对电源的要求。2.2.2：AD620电流采样模块图2.2.2-1 电流采样电路本系统使用精密运算放大器AD620作为检测信号的放大，AD620的突出优点为精度高，温漂小，仅使用一个精密电阻就能精确确定放大倍数，其增益公式为Av=（4.94K/Rg）+1。故而用此电路来实现检测的电流信号的放大。2.2.3：高频高精度PWM信号产生模块：ICL8038产生三角波图2.2.3-1 高频三角波产生电路：单片机PWM输出过D/A，后产生正负直流电压信号模块图2.2.3-2 D/A后正负直流电压信号：高频高精度PWM信号产生图2.2.

6、3-3 高频PWM生成电路本模块为我们这个设计的亮点部分，用于产生高频高精度的PWM信号，以便更好地稳定输出电压，使得电路更加的稳定，性能好。2.2.4：MOS管驱动电路图2.2.4-1 MOS管驱动电路本系统的开关管选用MOS管，而控制MOS管的关断与开通需要高电压，故而需用MOS管驱动芯片，供电选用12V。2.3：系统核心模块，BUCk降压斩波电路2.3.1：BUCK电路原理图图2.3.1-1 BUCK降压斩波电路2.3.2：基于BUCK斩波的DC-DC模块图2.2.3-1 完整DC-DC模块2.3.3:电路器件的选择以及参数的计算:选用导通电阻小的IRF3205低损耗MOS管作为开关管，

7、肖特基二极管选用最大电流可以通过3A电流，并且恢复时间短的SR360。：电感参数的计算：电感值的计算：其中，是占空比，开关频率=40 kHz,输出电压为36V，功率为16W,求得=10.7，取11。：电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由得d=0.892 mm,工作频率为40kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。：输出滤波电路的设计与参数计算：为了降低纹波，采用LC低通滤波器，取截止频率fL=200 Hz，电容取470F，由 可得 ，代入得L=215.80 H，取220H。三、系统软件

8、设计四、系统测试及结果分析1.测试使用的仪器 表6-1：测试使用的仪器设备序 号名称、型号、规格数量备注1FLUKE 15B 万用表4美国福禄克公司2TDGC-2接触调压器（0.5KVA）1上海松特电器有限公司3KENWOOD CS-4125 示波器1带宽20MHz2.测试数据基础部分数据：表6-2：输出电压及额定功率输入电源电压/ V电源电流/A输出电压/V输出电流/A效率242.017.83V3.9464%表6-3：不同电流比例测试输出电压/V电流比例I1/I2电流I1/A电路I2/A7.991：10.490.508.001：20.541.030当电流为2A时，输出电压为7.99V表6-4

9、：2A情况下任意比例数据电流之比 I1/I2电流I1/A电路I2/A0.60.721.210.80.861.081.21.040.881.41.140.82短路保护测试：经测试关闭电流为4.4A，满足指标要求。3.测试结果分析系统的性能没有达到理论分析值，这是很正常的现象，由于各个元器件的实际值会随着电路的工作而偏离其典型标示值，因此会导致在进行效率等分析和计算的时候出现误差。为了改善误差，进一步增强系统的性能，可以采用以下方法：使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，使用软开关技术，进一步减小电力MOS管的开关损耗。4.结论由测试结果可知，各个指标均达到并超过了题目要求，电源效

10、率已经超过要求的效率，使用高频PWM，使得电路性能更加好。由于队员的素质，已经作品的制作时间有限，系统性能尚有很多不足的地方，这些都是我们奋斗的方向。 附录1：C8051F340单片机控制系统附录2：程序源代码#include#define VOLT376sbit buffer = P17;/蜂鸣器sbit k1 = P23;/按键sbit k2 = P22;sbit d1 = P27;/LEDsbit d2 = P26;sbit d3 = P25;sbit d4 = P24;/value-保存AD转换数据，dc1-第一路PWM占空比,dc2-第二路PWM占空比, adc1电压采样值/adc2

11、、adc3-两路电流采样值long int value1 = 0,value2 = 0,value3 = 0, dc1 = 4030,dc2 = 4030,adc1 = 0,adc2 = 0,adc3 = 0;unsigned char cs = 1,t1 = 0,t2 = 0,t3 = 0,s = 0;float k = 1.0;/电流分配比例bit I_flag = 0;void Port_Init()PCA0MD &= 0X40;/关闭看门狗OSCICN |= 0X03;/内部12M晶振P0MDOUT |= 0X03;/PWM推挽输出P0MDIN &= 0X18;/ADC输入P0SKIP

12、 = 0X18;P1MDIN &= 0X02;P1SKIP = 0X02;XBR1 = 0X42;/端口使能，CEX0、CEX1连接到端口/显示部分void Led_Delay() /延时int i,j;for(i = 1;i 0;i-)for(j = 100;j 0;j-);void Led(unsigned int kk) /数码管显示电流分配比例unsigned char table4 = 0xef,0xf7;/选通对应数码管unsigned char dat4 = 0,0; /保存结果各位的数值unsigned char i;dat0 = kk % 10;dat1 = kk / 10;

13、for(i = 0;i 2;i+)/循环显示 P4 = 0xff; P3 = tablei; P4 = dati; Led_Delay();/AD采集void Adc_Init()AMX0P = 0X11;/正输入P0.3AMX0N = 0X1F;/负输入地ADC0CF = 3 8;TL0 = (65536 - 500) & 0XFF;ET0 = 1;EA = 1;TR0 = 1;/两路十六位PWM输出void Pca_Init()PCA0MD = 0X08;PCA0CPM0 = 0XCB;PCA0CPM1 = 0XCB;PCA0CPL0 = (65536 - (int)(dc1/10000.

14、0)*65536) & 0XFF;PCA0CPH0 = (65536 - (int)(dc1/10000.0)*65536) 8;PCA0CPL1 = (65536 - (int)(dc2/10000.0)*65536) & 0XFF;PCA0CPH1 = (65536 - (int)(dc2/10000.0)*65536) 8;CR = 1;EIE1 |= 0X10;EA = 1;/按键部分void Key_Delay()unsigned int i,j;for(i = 250;i 0;i-)for(j = 50;j 0;j-);bit Key1()bit i = 0;if(k1 = 0)K

15、ey_Delay();if(k1 = 0)i = 1;d3 = d3;while(!k1);d3 = d3;return i;bit Key2()bit i = 0;if(k2 = 0)Key_Delay();if(k2 = 0)i = 1;d4 = d4;while(!k2);d4 = d4;return i;void K_test()if(Key1()if(k 0.5)k -= 0.1;if(k = 0.5)d1 = 1;d2 = 0;void V_test()if(s = 1) s = 0;if(value1 (VOLT+5)dc1 -= (int)(value1 - VOLT)/2.0

16、);dc2 -= (int)(value1 - VOLT)/2.0);else if(value1 (k*value3 + 2) dc1 -= 1;dc2 += 1; else if(value2) 0;i-)for(j = 600;j 0;j-);void Protect()if(value2 + value3) = 200)buffer = 0;PCA0CPM0 &= 0XBF;PCA0CPM1 &= 0XBF;EA = 0;delay();buffer = 1;PCA0CPM0 |= 0X40;PCA0CPM1 |= 0X40;EA = 1;value2 = 0;value3 = 0;/

17、主程序void main()unsigned char i = 1;Port_Init();Pca_Init();Adc_Init();Timer0_Init();while(1)V_test();K_test();Protect();Led(k*10);void ISR_T0() interrupt 1TH0 = (65536 - 500) 8;TL0 = (65536 - 500) & 0XFF;void ISR_ADC() interrupt 10/转换结束中断AD0INT = 0;/清中断标志switch(cs)case 1: adc1 += (ADC0H = 100)value1 =

18、 adc1/100;adc1 = 0;t1 = 0;s = 1;break;case 2: adc2 += (ADC0H = 100)value2 = adc2/100;adc2 = 0;t2 = 0;break;case 3: adc3 += (ADC0H = 100)value3 = adc3/100;adc3 = 0;t3 = 0;Ad1();I_flag = 1;break;void ISR_PCA() interrupt 11if(CCF0 = 1)CCF0 = 0;PCA0CPL0 = (65536 - (int)(dc1/10000.0)*65536) & 0XFF;PCA0CPH0 = (65536 - (int)(dc1/10000.0)*65536) 8;if(CCF1 = 1)CCF1 = 0;PCA0CPL1 = (65536 - (int)(dc2/10000.0)*65536) & 0XFF;PCA0CPH1 = (65536 - (int)(dc2/10000.0)*65536) 8;第18页