开关电源模块并联供电系统报告.pdf





《开关电源模块并联供电系统报告.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《开关电源模块并联供电系统报告.pdf(33页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
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摘要:摘要:针对大功率负载的情况,选用单台大功率电源有很多技术上的难题需要克服。本文介绍一种开关电源模块并联供电系统,其具有加大功率、自动均流、手控均流的功能。该供电系统由电压转换模块、DC/DC 转换模块、单片机控制模块以及显示模块等组成。通过 A/D 对电路进行采样,使用单片机控制 PWM 占空比来改变 DC/DC 模块电压和电流,从而达到改变电源功率且对电流进行分配的功能,同时电路具有过流保护功能对系统进行保护。测试结果表明本系统满足设计要求且工作稳定。关键词关键词:DC/DC 模块、PWM、A/D 转换SwitchingSwitching
2、SwitchingSwitching powerpowerpowerpower supplysupplysupplysupply modulesmodulesmodulesmodules inininin parallelparallelparallelparallel powerpowerpowerpower supplysupplysupplysupply systemsystemsystemsystemABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT:If the choice of a single power supply there are many technic
3、al obstacles toovercome for high-power load.This paper introduces a switching power supply modules in parallelpower supply system,which has increased power,auto control of shunt and hand control of shuntfunction.Its mainly by the voltage conversion module,DC/DC converter module,single-chipcontrol mo
4、dule,display module and other components.By A/D sampling circuit,the single-chipcontrol the PWM duty cycle what change DC/DC module voltage and current to achieve the changeof current in electrical power and distribution,while over-current protection circuit to protect thesystem.Test results show th
5、at the system meets the design requirements and job stability.KEYWORDSKEYWORDSKEYWORDSKEYWORDS:DC/DC module,PWM,A/D conversion目录目录1、引言.12、系统方案设计.12.1、系统方案设计.12.2 单元模块方案设计.22.2.1、电压转换部分设计方案.22.2.2、显示部分设计方案.22.2.3、DC/DC 模块设计方案.32.2.4、单片机控制模块.33、理论分析与计算.43.1、DC/DC 变换器稳压模块.43.2、电流电压检测方法.43.2.1、电压检测方法.43
6、.2.2、电流检测方法.53.3、均流方法.53.4、过流保护方法.64、电路设计.64.1、电压转换模块设计.642、DC/DC 变换器模块电路设计.74.3、按键控制电路设计.84.4、显示电路设计.85、软件设计.95.1 系统软件介绍.95.2 程序流程图.96、测试结果与分析.96.1 测试环境.96.2 测试仪器.106.3 测试方法.106.4 测试数据.106.4.1DC/DC 变换器模块测试数据.106.4.2 过载保护模块测试数据.106.4.3 放大器模块测试数据.116.4.4 电流比例调节数据测试.117、设计完成情况.118、总结.119、参考文献.12附录.13整
7、体电路图.13软件程序代码清单.1411、引言对于大功率负载的要求,可以由单台的大功率电源来提供或者由多台开关电源并联来提供。但是单台的大功率电源在设计和制造中存在很大的困难,成本也不合算,可靠性和稳定性也难以保障。多台开关电源的并联系统能很好的克服这些缺点,并具有单台电源所不具备的优点。多台开关电源的并联系统的输出功率具有可扩展性。而且开关电源以其效率高,体积小,重量轻等显著特点,世界各国都已广泛应用。特别是对开关电源模块并联供电系统的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究内容,其中开关电源模块并联均流技术是实现大功率电源系统的关键技术。本文综合探讨了开关电源并联供电运行中的自动均流技术,
8、并且开发自主调节电流分配比例功能。可以解决普通电源在某些领域解决不了的问题,具有很强的市场竞争力。2、系统方案设计2.1、系统方案设计方案一、通过 24V 电源给单片机和两个并联 DC/DC 模块供电,并通过一个单片机分析反馈回来的数据,进而控制 PWM 占空比来改变 DC/DC 模块相应数据。系统结构图如图 3 所示:图 2-1 方案一系统结构图方案二、通过 24V 电源给单片机和两个并联 DC/DC 模块供电,并通过两个单片机分析反馈回来的数据,分别控制 PWM 占空比来改变两个 DC/DC 模块相应数据。系统结构图如图 2 所示:DCDC 2DCDC 1 PWM2图 2-2 方案二系统结
9、构图通过讨论得出一个单片机时要求两个模块要并联共地,干扰较大,用两个单片机分别控制两个独立模块,消除模块间的相互干扰,故选用方案二。其单个模块电路设计框图如下所示 DCDC PWM AD 图 2-3 单个模块电路设计框图2.2 单元模块方案设计2.2.1、电压转换部分设计方案方案一、通过分压电路将 24V 电压降到 5V 电压,例如串联两个电阻,两个电路的阻值比例和电压转换比例相等,这样就可以得到任意想得到的电压。方案二、使用 7805 稳压芯片,将 24V 电压转换成 5V 稳定电压。比较上述两种方案,由于 7805 便捷性、集成化高、性能稳定以及转换效率高等优点,本方案选择方案二。2.2.
10、2、显示部分设计方案 1 2DCDC 2DCDC 1 PWMPWM3方案一:采用八位共阴极 LED 数码管进行显示,利用单片机串行口的移位寄存器工作方式,外接 MAX7219 串行输入共阴极显示驱动器,每片可驱动 8 个 LED 数码管。方案二:采用点阵字符型 LCD 液晶显示,可以显示数字与阿拉伯字母等字符,随着半导体技术的发展,LCD 的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。比较这两种方案,数码管显示驱动简单,但显示信息量少,功耗大;利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下,显示界面友好、内容丰富,综合考虑,选用 LCD 来实现显示功能。2.2.3、DC/DC 模块设计方案方案一、Buck
11、/Boost 变换器:也称升降压式变换器,是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器,但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost 变换器可看做是 Buck 变换器和 Boost 变换器串联而成,合并了开关管。方案二、采用 Buck 变换器,也称降压式变换器,是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。由于本设计要求降压,故只需要选用方案一,无需选用方案二。2.2.4、单片机控制模块方案一、采用市面上应用比较广泛的 51 单片机,利用硬件扩展,实现 AD 转换和 PWM 控制,利用其 8 个 AD 转换对两个 DC/DC 模块的电路进行数据采集,反馈给单片机后
12、分析比较,再根据设计要求改变 PWM 占空比,同时设置 4 个按键通过程序达到控制电流分配比例的要求。方案二、采用飞思卡尔单片机 MC9S12XS128-80PIN 芯片,利用其 8 个 AD 转换对两个 DC/DC模块的电路进行数据采集,反馈给单片机后分析比较,再根据设计要求改变 PWM 占空比,同时设置 4 个按键通过程序达到控制电流分配比例的要求。综合上述两种方案,方案一硬件扩展比较复杂,考虑到集成化、便携性以及速度等性能,和 51 相比我们选用的是 MC9S12XS128 微控制器,它是飞思卡尔公司 M68HC12 系列 16 位单片机中的一种,其内部结构主要有单片机基本部分和 CAN
13、 功能块部分组成,基本结构包括:中央处理器单元 HCS12(CPU)、2 个异步串行通信口 SCI、2 个同步串行通信口 SPI,8 通道输入捕捉/输出比较定时器,1 个 8 通道脉宽调制模块以及 49 个独立数字 I/O 口(其中 20 个具有外部中断及唤醒功能),在片内还拥有 128KB 的 Flash ROM,8KB 的 RAM 和 2KB 的 EEPROM,CAN 功能块包括两个兼容 CAN2.0A/B 协议的 msCAN 控制器组成,其中包含 8 个 A/D 转换口,电路中测得的电压和电流信号通过 A/D 转换后经过算法分析后控制 PWM 输出,使相应的电压值和电流得以改变。由于该
14、MCU 具有我们所做设计的全部端口,所以能够很方便的进行相应的控制和调试,并且具有很快的运行速度。故本系统采用方案二43、理论分析与计算3.1、DC/DC 变换器稳压模块Buck 变换器:也称降压式变换器,是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。图3-1DCDC 降压电路简图图中,Q 为开关管,其驱动电压为 PWM(Pulse width modulation 脉宽调制)信号,信号周期为 Ts,则信号频率为 f=1/Ts,导通时间为 Ton,关断时间为 Toff,则周期 Ts=Ton+Toff,占空比 D=Ton/Ts。BUCK 型 DC/DC 只能降压,其理论降压公式:Vo=Vi*
15、D(本公式是理想状态下输入输出关系,实际电路达不到严格的线性关系),D 为充电占空比,既单片机产生 PWM 的占空比。通过本式可以看出输出电压和 PWM 占空比成线性关系,通过改变 PWM 占空比就可以达到改变电压的效果。3.2、电流电压检测方法3.2.1、电压检测方法系统通过对需要测试的位置加入测试电路(如图所示),将电压经过 AD 转换采集转换再输入单片机计算得到需要测试的电压数据。如图所示图 3-2 电压检测电路简图R1R2AD1 U5图中待测点电压 U 经过加入的测试电路输入到 AD1 转换器的电压 U0是212RURR+,经过单片机程序处理计算完全可以得到待测电压1202RRUUR+
16、=。3.2.2、电流检测方法本系统对待测点电压通过放大器放大,再经过 AD 转换采集,再输入单片机计算得到需要测试的电压数据。如图所示图 3-3 电流检测电路简图图中所示电阻 R11左侧电压 U1和右侧电压 U2都是按照上面测试方法得到,经过经过差分放大 A/D2 采集到的电压4(3)UA UU=,在 R8=R11,R9=R12的情况下再由上面电压算法可得 R11电流11112431012()RRIUUR R+=。3.3、均流方法传统的均流方法是平均值均流,既每个并联模块的电流放大器输出端接一个相同的电阻到一条公共母线上,形成平均值母线。当某模块电压比母线电压高时,输出电压下降,反之亦然。而在
17、本系统中若使用传统方法不能满足设计要求,故本系统使用主从法,适用于电流型控制的并联开关电源系统中。这种均流系统中有电压控制和电流控制,形成双闭环控制系统。实时对电压和电流进行监控调节。本系统式通过单片机上的 AD 转换对需要检测的电压和电流进行采集,然后根据设计要求6需要负载电压稳在 8V 且两个模块的分电流控制在一定比例,故根据这两个要求设计单片机算法分别控制 PWM 来调节来改变电流电压达到要求为止。3.4、过流保护方法本系统通过电流和电压的关系,通过计算得到过载电流对应的电压,再通过电压比较器以及电子开关来实现对电路的保护功能。如图所示图 3-4 过流保护模块电路图图中若 U-in A
18、大于比较电压 U-in B(该电压可以通过电位器调节)时,电压比较器输出高电平则三极管 Q1截止,PMOS 管 Q3的 UGS达到导通条件,PMOS 管处于导通状态,电路正常工作;否则,电压比较器输出低电平则三极管 Q1导通,PMOS 管 Q3的 UGS达不到导通条件,PMOS管截止切断电源,从而达到保护电路的作用。4、电路设计4.1、电压转换模块设计7图 4-1 电压转换电路设计图 1由于实验要求供电电压 24V,但单片机等主控芯片电压为 5V,故采用稳压芯片 7805 将电压稳在 5V。图 4-2 电压转换电路设计图 2由于本系统要使用液晶显示,其驱动电压为 3V,故用 LDO 线性稳压器
19、完成 5V-3V 的转换。42、DC/DC 变换器模块电路设计图 4-3 DC/DC 变换器模块电路设计图如图所示,电路的过载保护部分、电流电压测试电路以及放大部分上面已经介绍,除此之8外本电路在 Buck 变换器部分加入下拉电容,对一些频率的干扰进行过滤;4.3、按键控制电路设计图 4-4 按键控制电路设计图本模块设计四个按键,分别是模式选择按键 KEY Model、确定按键 KEY OK、加按键 KEY+和减按键 KEY-,左边四个电压信号接入单片机,当无按键按下时输入单片机的是高电平,单片机不做任何动作;当按键按下时,例如模式按键按下时,KEY Model 是低电平,单片机进入改变模式程
20、序对模式进行改变。4.4、显示电路设计图 4-5 显示电路设计图本模块首先通过 LDO 将 5V 电压稳在 3V 给 LCD 供电,然后 LCD 的 2、3、5 管脚接入单片9机,通过单片机控制显示。5、软件设计5.1 系统软件介绍软件部分采用模块化程序设计的方法,由主控制程序、液晶显示部分子程序、键盘服务子程序等组成。在保持总电流不变按对应比例分流的情况下,根据原理分析中提到的算法计算所需电流并以同一个变化量对两个分电流进行增加和减小,使其达到期望的比例值。5.2 程序流程图下图是单一电源模块自动分流的程序流程图。8V 8V PW M 图 5-1 自动分流程序流程图6、测试结果与分析6.1
21、测试环境时间:2011 年 9 月 3 日温度:27C0106.2 测试仪器(1)FLUKE17B 多功能数字万用表(2)数字示波器 DS1052E(3)思卡尔单片机 MC9S12XS128-80PIN 和 BDM(4)任意波形发生器 DG1012(5)数字电源 GPS-4303C6.3 测试方法硬件模块测试:系统本身由三个主要硬件模块构成,所以分三部分进行调试,首先对DC/DC 变换器模块进行测试,利用波形发生器产生方波,改变其占空比观察输出电压变化;然后对过载保护模块进行测试,通过改变滑动变阻器阻值改变比较电压,再给电路输入相应电压值观察发光二极管以及电路电压输出情况;最后对电路放大部分电
22、路进行检测,对其输入小电压,观察输出情况;而剩下的按键电路可以结合软件测试,稳压电路直接用万用表观察输出电压是否稳定即可。软件模块测试:采用自下而上的调试方式,先进行模块测试程序的调试,待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。6.4 测试数据6.4.1DC/DC 变换器模块测试数据单个 DC/DC 模块在加入 30 欧姆的负载情况下分别选用不同占空比的波形输入,其他指标不变既频率(50KHZ)、峰值电压(Vh=5V)、谷值电压(Vl=0V)不变,并对每个波形输入加入不同输入电压观察输出电压。占空比 D(%)输入电压 Vin(V)输出电压 Vo(V)20242.0313
23、0247.371502414.73702417.713802419.040表 6-1 DC/DC 变换器模块测试数据表6.4.2 过载保护模块测试数据在相同环境下,占空比一定时(取 30%),其输入电压一定,调节保护电路的电位器 VR111改变过载保护电压,观察发光二极管状态以及输出电压。占空比 D(%)过载电压(V)输入电压(V)比较器输出电压(V)输出电压(V)发光二极管状态状态303.610.0122.3113.16不发光正常工作0.000.000.00发光过载保护表 6-2 过载保护模块测试数据表6.4.3 放大器模块测试数据占空比 D(%)输入电压(V)输出电压(V)放大倍数200.
24、0190.21011.052300.0690.76711.116500.1661.84211.096700.1872.08511.150800.1962.14010.918表 6-3 放大器模块测试数据表6.4.4 电流比例调节数据测试(1)自动比例调节数据总电流 Io分电流 I1分电流 I1负载电压1.023A0.5040.5198.0351.532A1.0260.5067.943表 6-4 自动比例调节数据表7、设计完成情况设计要求基本部分发挥部分完成情况直流电压输出8.00.4V完成系统效率60%60%基本部分完成电流误差5%以内2%以内基本部分完成过载保护4.50.2A基本部分完成电流
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 开关电源 模块 并联 供电系统 报告

限制150内