开关电源并联供电系题统(A题).doc

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1、2011年全国大学生电子设计竞赛开关电源并联供电系题统（A题）2011年9月3日目录目录1摘要21系统方案论证与比较21.1 DC/DC降压模块21.2 电压并联供电均流模块31.3 单片机主控的A/D和D/A控制模块51.4 系统电路工作电源解决方案52详细软硬件分析62.1 整体框图62.3 核心电路原理图72.4 软件设计73系统调试83.1 硬件调试83.2 软件调试83.3 软硬联调94指标测试94.1测试仪器94.2测试结果94.3 系统对题目完成情况94.4 测试结果分析94.5 作品使用方法95.结论9参考文献10附录一：完整电路原理图11附录二：源程序12开关电源并联供电系统

2、（A题）摘要：本系统以宏晶STC12C5A60S2 单片机为控制核心，采用LM2596实现电源模块DC/DC的转换，采用16位高精度DA芯片AD669实现电流分配的控制，利用下垂法实现电流的分配，制成了开关电源并联供电系统，满足题目设计要求，并可通过LCD显示采样所得的输入电压Ui、输入电流Ii、负载电压Uo、负载电流Io、I1、I2、额定效率、及电流比值。关键词：开关电源；并联供电；STC12C5A60S2；LM2596；AD6691系统方案论证与比较本系统主要由LM2596组成的DC/DC降压模块、电源并联供电均流模块、DA控制模块、以STC12C5A60S2单片机为控制核心的控制模块组成

3、，下面分别论述这几个模块的选择。1.1 DC/DC降压模块方案一：采用MC34063AMC34063A芯片优点使用简单，价格比较便宜；缺点是最大可输出电流为1.5A，题目发挥部分要求负载电流可达2A，所以需在输出端扩流，即在2端口接三极管，经测试发现扩流后电路输出效率低，电压不稳定且MC34063A内置比较器开换工作，占空比不稳定，容易出现单脉冲反复震荡的情况。图1 MC34063A DC/DC降压电路方案二：采用LTC3855LTC3855是Linear Technology Corporation推出的双输出高效率（高达95%）同步降压型DC/DC控制器，该器件具有多相工作模式、差分输出电

4、压采样和集成的锁相环同步。LTC3855全部采用N沟道MOSFET，在4.5V38V的输入电压范围内工作，可产生0.75%准确度和0.6V12.5V的输出电压。通过监控输出电感器（DCR）两端的压降或使用一个采样电阻，可以对输出电流采样。可编程设定的DCR温度补偿在一个宽温度范围内保持准确恒定的电流性质，可提供精确的电流分配。但此芯片性价比较低，手中样片较少且采购不易，可续性差，且集成度较高与此电子设计的宗旨不符。图2 LTC3855 DC/DC降压电路方案三：采用用LM2596LM2596输出电压1.2V37V可调，输出最高电流可达3A，输出线性好负载可调，系统效率高，可以用仅80A的待机电

5、流，实现外部断电，具有自我保护电路，经调节后完全可实现题目的要求。图3 LM2596 DC/DC降压电路基于实际测试，经过综合考虑，最终决定采用方案三。1.2 电压并联供电均流模块方案一：自动均流法动均流法也叫单线法，其工作原理是，将各电源模块都通过一个电流传感器及一个采样电阻接到一条均流母线上。如图4所示，当输出达到均流时，输出电流I1为零。反之，则电阻R上由于有电流I1流过，在其两端产生一个电压Uab，这个电压经过放大器A输出电压Uc，它与基准电压Ur比较后的U，反馈回电源模块的控制部分，从而调节输输出电流。图5 单线法工作原理图 自动均流法的优点是，电路简单，容易实现。缺点是，如果有一个

6、模块与均流总线短路，则系统就无法均流，而且单个模块限流也可能引起系统不稳定。方案二：主从电源法主从电源法是将并联的多个电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。具体工作过程是：主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块（包括主模块和从模块）的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。其基本工作原理电路如图6所示，设模块1为主模块，其输出电流的采样电压为V1，其他模块输出电流的采样电压为Vn。当某一模块输出电流偏大时，相应的Vn增大，与V1比较，得到的Ven减小，反馈给该模块的控制电路中，减小其输出电流，从而实现均流。图5 主从电源法工作原理图 主从电源法的优点是

7、不须外加专门的控制电路。其缺点是，各个模块间需要有通信联系，连线比较复杂；其最大缺点是，一旦主模块出现故障，则整个电源系统将崩溃。方案三：下垂法下垂法全称外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节Vo=f(Io)的斜率，从而调节输出电流。其工作原理图如图5所示。图6 下垂法工作原理图这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制。缺点是调整精度不高，每个模块必须进行个别调整，如果并联的模块功率不同的话，容易出现模块间电流不平衡

8、的现象。综合以上三种方案，选择方案三来实现电流的分配。1.3 单片机主控的A/D和D/A控制模块方案一：采用普通单片机STC89C51单片机为微控制器，外接A/D和D/A芯片，来实现对整个供电系统的控制，但需占用较多I/O接口，会使普通单片机承受过大的数据处理任务，功耗较大。方案二：采用高速、低功耗、具有10位A/D功能的STC12C5A60S2单片机和AD669来实现对电源模块的控制。STC12C5A60S2自带A/D功能，可高速采集所需数据，AD669是16位高速DA转换器，可以实现精确的DA转换。在本次设计中，通过程序设计经过判断由单片机处理过的采样数据，作出相应的操作，发送数据给AD6

9、69，产生模拟控制信号到LM2596的基准电压控制管脚，以实现控制输出的电压及电流。综合考虑，本次设计选用方案二。1.4 系统电路工作电源解决方案为符合本次设计的要求，特别为单片机以及相关元器件的工作需要而制作了系统电路工作电源模块。由提供的24V输入电压提供给LM2596和LM317，得出的5V电压供给MC34063得到所需的负电压。其工作原理如图7所示。图7 电路工作电源模块2详细软硬件分析2.1 整体框图STC12C5A60S2控制系统键盘LCD显示24V输入电压电路工作电源模块D/AA/D负载采样电阻开关电源并联系统图8 系统整体框图本系统采用STC12C5A60S2作为主控制器，利用

10、两片LM2596组成并联供电模块，通过A/D采样负载电阻的电压，数据经处理后，向D/A输出控制信号，D/A产生模拟控制信号到LM2596的基准电压控制管脚，以实现控制输出的电压及电流。LCD显示采样所得的输入电压Ui、输入电流Ii、负载电压Uo、负载电流Io、I1、I2、额定效率、及电流比值。2.3 核心电路原理图开关电源并联系统图9 DC/DC开关电源并联供电2.3.2按键图10 按键模块原理图2.4 软件设计2.4.1 功能分析单片机主要实现以下几个方面的功能：（1）输入分压的采集及数据处理；（2）系统工作状态的控制与显示；（3）按键扫描；2.4.2 软件设计对各主要功能块的软件设计如下：

11、（1）输入电压的采集及数据处理。【采用单片机内部10位A/D采集输入电压，单片机工作一次连续采集10次，对10次测量值进行去尖峰求平均滤波处理。】处理方法（2）系统工作状态的控制及显示。根据测得的电压值，处理后发给LM317进行控制 2.4.3 软件设计流程图开始初始化Key1Key2Key3Key41:1额定1:2定额任意分流1:1 4A图11 程序流程框图3系统调试系统调试分为硬件调试、软件调试及软硬联调3.1 硬件调试硬件根据理论值进行元器件的选择、绘制电路图、焊接电路、调试。由于精度和干扰的影响，往往得到的结果和理论分析值又有一定的偏差，所以硬件调试难度很大。3.2 软件调试本系统的软

12、件程序完全由C51编写，C语言效率高，但同时也存在一些缺点，比如严格定时比较困难。在调试过程中采取的是自上至下的调试方法，单独调试好每一个模块，然后在联结成一个完整的系统调试。3.3 软硬联调由于本系统的软硬件联系不是很紧密，一般是软件D/A输出后就能直接和硬件相联进行工作，因此在软硬件通调的情况下，系统的软硬件联调的难度不大。4指标测试4.1测试仪器数字万用表、大功率电阻。4.2测试结果见表14.3 系统对题目完成情况表1 系统对题目完成情况基本部分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=8.00.4V在额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%调整负载，使I

13、=1.0A且按I1:I2=1:1模式自动分配电流，且每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%调整负载，使I=1.5A且按I1:I2=1:2模式自动分配电流，且每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%发挥部分发挥部分（1）发挥部分（2）发挥部分（3）发挥部分（4）4.4 测试结果分析在误差范围内基本完成竞赛设计题目的基本要求。4.5 作品使用方法作品上都留有电路接口，且都有标注，根据原理图所示，即可完成操作。5.结论通过参加本次全国大学生电子设计竞赛，深刻体会到了理论联系实践的重要性，体会到了调试电路的复杂性，对自己的综合能力有了较大提升。参考文献1 余小平，奚大顺.电子系统设计.第一版

14、.北京:北京航空航天大学出版社,2007.32 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.第四版.北京:高等教育出版社,2006.53 黄智伟，王彦，陈文光等.全国大学生电子设计竞赛.修订版.北京:电子工业出版社,2010.64 谭浩强.C程序设计.第三版.北京:清华大学出版社,2008.11附录一：完整电路原理图附录二：源程序核心控制程序：void main()float i=0; WORDDA_Variable;Key_Value=0;FindKeyNum=0;InitUART();InitADC();s:Display();DisplayPic(2); Current_Out_Give1=0.5

15、;Current_Out_Give2=0.5;DA669FloatNumA(0.0);DA669FloatNumB(0.0);for(i=0;i8.2)if(Current_Out1Current_Out2)U1_I1=U1_I1+0.01;DA669FloatNumA(U1_I1);elseU2_I2=U2_I2+0.01;DA669FloatNumB(U2_I2);if(Voltage_OutCurrent_Out2)U2_I2=U2_I2-0.01;DA669FloatNumA(U2_I2);elseU1_I1=U1_I1-0.01;DA669FloatNumB(U1_I1);Displ

16、ay();DelaySecond_10ms=1; while(DelaySecond_10ms!=0);if(Key_Value!=1)break; if(Key_Value=2) /1.5A比例分流while(1)if(Voltage_Out8.0)if(Current_Out1Current_Out2*0.5)U2_I2=U2_I2+0.1;DA669FloatNumB(U2_I2);elseU1_I1=U1_I1+0.1;DA669FloatNumA(U1_I1);if(Voltage_Out8.0)if(Current_Out18.0)if(Current_Out1Current_Ou

17、t2*Current_Ratio)U2_I2=U2_I2+0.1;DA669FloatNumB(U2_I2);elseU1_I1=U1_I1+0.1;DA669FloatNumA(U1_I1);if(Voltage_Out8.0)if(Current_Out18.0)if(Current_Out1Current_Out2)U1_I1=U1_I1+0.1;DA669FloatNumA(U1_I1);elseU2_I2=U2_I2+0.1;DA669FloatNumB(U2_I2);if(Voltage_OutCurrent_Out2)U2_I2=U2_I2-0.1;DA669FloatNumA(U2_I2);elseU1_I1=U1_I1-0.1;DA669FloatNumB(U1_I1);Display();if(Key_Value!=6)break;