Aisie开关电源模块并联供电系统设计.doc

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1、 开关电源模块并联供电系统设计毕业综合实践报告 毕业综合实践题目:开关电源模块并联供电系统设计专 业:_ 应用电子技术（集成电路设计） 班 级: 集成1008班_ 学生姓名: Aisie_ 指导教师:_ 上交时间:2012年4月1日I广东机电职业技术学院毕业综合实践任务书学 生姓 名学号22班级1008年级10级专业应用电子技术通信地址邮 政编 码E-mail地址电话毕业综合实践题目开关电源模块并联供电系统设计选题背景（打算从事何工作，毕业综合实践选题与所学专业有何关系）纵观21世纪电子科技发展前景，综合自己所学专业、工作意向以及开关电源市场发展等因素，所以决定选择小型开关电源的设计，通过设计

2、加强自身实践以便工作所用。指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注教师毕业综合实践内容：1.设计要求： 设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W 的8V DC/DC 模块构成的并 联供电系统（见图1）。 2.技术要求2.1 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=8.00.4V。 （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=8.00.4V，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

3、阻，保持输出电压 UO=8.00.4V，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%。 2.2 发挥部分 （1）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，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=8.00.4V，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%。

4、 （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。学生在该综合实践中具体完成的工作：1. 查找资料，尽量在3到4天内制定出方案和原理图。 2 硬件制作，多做一个备份硬件，以便出现意外时可以补充。3. 软件编程，在做软件编程时，每个细节都要密切与硬件电路一致，不能脱离硬件。 3调试，把硬软件组合起来调试，多从软件上进行修改，实在不行再考虑修改硬件。 4. 答辩。 教研室审批意见教研室负责人：年 月 日系部审批意见审核人签字： 年 月 日备注1、任务书由指导教师填写，一式二份。

5、其中学生一份，指导教师一份。2、审批若不能通过，需重新填报此表。不通过的原因如下：（请画标明）A、综合实践内容不足，应增加内容； B、综合实践内容不明确，应以目录形式写明内容； C、雷同；（同学之间或其它方面雷同） D、其他原因； 开关电源模块并联供电系统设计摘要：开关电源在当今社会应用十分广泛，有很大的开发市场，本电路是通过开关 电源芯片LM2596来制作低电压，大电流的电源，这样的电源效率比较高，实用性较强。该电源固定输出8V，用到单片机调节大电流输出时电压的稳定。这个开关电源最大电流可以输出4A，在1.5到3.5A输出时可以按任意比例输出两路电流，并联的两个DC/DC模块各自最大输出可达

6、2A。在输出1A和4A时可以按1:1输出电流。关键词：开关电源 DC/DC模块 比例Abstract: switching power supply applications in todays society is very extensive, have very large development market, this circuit is through the switch power supply chip LM2596 to produce the low voltage, high current power, the power efficiency is relativ

7、ely high, more practical. The fixed power output 8V, use MCU control large current output voltage stability. The switch power source maximum current can output to 4A, 1.5 to 3.5A output can be in any proportion of two parallel output current, two DC / DC module respective maximum output up to 2A. In

8、 the output 1A and 4A according to 1: 1 output current.Key words: switching power supply DC / DC module ratio 目录1 绪论11.1 课题背景11.2 电源的发展概况（引用文献b）12 系统方案22.1 设计思路22.2 方案论证与比较22.3 系统组成43 理论分析与计算63.1 DC/DC模块参考电路设计（图7）(c)63.2 电压、电流采样电路的设计73.3 短路及过流保护电路的设计83.4 数模（D/A）电平转换电路的设计(d)84 主程序的设计(见图10)94.1 系统流程图和

9、部分主程序：(d)95 测试使用的仪器125.1 设定值与显示值的误差测试12表5.2.1126 误差分析136.1 设定值与显示值的误差分析(a)137 结束语13参考文献：14131 绪论1.1 课题背景现在的社会，电子技术正在飞速发展,各类电子系统的、电子设备越来越多，高科技电子产品层出不穷。电子设备在人们的工作、生活中起到了很重要的作用。然而，所有电子产品都离不开电源，而且它们对电源的质量要求也越来越高，正因如此，电源产业取得了迅猛的发展。今天的电源电路已经不再像以往的电源电路，效率不高，体积较大。今天，电源电路在原来的基础上得到了很大的改善。电子产品正向着小型化和低成本的方向发展，另

10、外电源也向着轻、薄、小和高效率的方向为发展。为了满足种类繁多的电子产品的电源要求，电源电路的设计变得越来越重要，越来越有意义。在电源电路的发展过程中，其中，开关电源在当今电子领域的应用中占据着相当重要的位置，它的应用相当广泛。它的发展也成为必然的。另外，电源也有固定直流稳压电源、可调直流稳压电源、数控直流稳压电源、高压直流稳压电源等，但在此情况下，开关电源有着不可替代的优点，因而其电路设计正如上面所说的“越来越重要，越来越有意义”。1.2 电源的发展概况（引用文献b） 根据中国电源学会收集整理的数据，2008年全国开关电源(主要包含消费类开关电源、工业类开关电源、通信电源、PC电源)产值达到8

11、55亿元，2009年达931亿元，增长8.8%;2010年达到1027亿元，增长10.3%。按开关电源应用领域细分，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源，2010年达到全行业产值的比重为56%，居第二位的是消费类开关电源，占32%，通信开关电源占6%，PC开关电源占3%。(引用 展望21世纪，人们即将跨入一个崭新的电子化社会，工作、生活方式及至娱乐都处于巨大的变革之中。电子应用已成为这个社会不可缺少的一部分。电子系统应用多样化，朝着高效、节省资源的方向发展。作为硬件环境，电源成为电子系统不可缺少的基本设施。电源发展的走势日趋模块化、标准化，并以积木式结构组成分布式供电系统。尤为特出的发展可

12、算是开关电源。无论在通讯、计算机领域，还是办公室、家庭自动化或工业控制等，开关电源的发展前景具有很大的潜力。电源作为一种新型的基础产业，正在发生巨大的变革并逐渐挤身于高新企业中。工作效率与30年前线性电源相比提高近一倍，开关频率与20年前相比提高近25倍，而尺寸降低近4倍。成本已接近USD0.25USD0.5/W的水平。如何降低损耗、提高效率、提高热交换率并实现热插拨？这个问题也成为当今电源发展的重点考虑对象。 总之，电源标准化、模块化、小型化、降低成本、提高性能、提高效率等已成为发展的趋势。2 系统方案2.1 设计思路 题目要求设计一个并联的DC/DC模块开关电源，功率要求16W。这是个不高

13、的功率要求，要求单个模块8V稳定输出时最大电流达到2A，对于开关电源而言不难实现，难点在于两个模块要求按比例输出电流。这就需要两个模块能够本身反馈又能影响整个电路，从而控制电流按比例分配。一般大电流会导致较大的压降。这就需要用外部电路进行控制调节，使电压升回到8V而稳定。所以我们使用单片机作为控制调节的核心，通过AD和DA芯片进行电流采样和控制电压改变从而控制系统电压电流的稳定。其中用到光电耦合器解决反馈中遇到的干扰问题。2.2 方案论证与比较根据题目要求，开关电源可供选择的方案主要有以下2种：方案一 利用TL494芯片作为核心元件进行设计。 TL494芯片是一款16脚的芯片包含了脉宽调制型开

14、关电源的所有控制部分。该芯片可以从外部的电阻电容产生3k到15k的振荡脉冲， 驱动电流可达200mA，只要外接电感或变压器就可以产生升降压电路。（原理框图如图2所示） 图2 方案一原理框图该方案中，TL494作为DC/DC模块的主要组成部分，从该芯片可以输出方波，外加电感可以实现降压，可以采用Boost电路。（见图3）UoIDSIDVDIDLIDCID 图3 Boost降压电路图每一部分都采用完全相同的电路结构，再把两个电路并联后输出。通过单片机控制DA芯片从而可以控制TL494的误差比较器电压改变从而控制PWM，进而控制输出电压和电流。要实现电流按比例分配，只需改变两个DA芯片的电压就可以实

15、现电流分配。方案二采用LM2596开关电源芯片，该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz ，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。同样的，每一部分都采用完全相同的电路结构，再把两个电路并联后输出。通过单片机控制DA芯片光耦再控制LM2596芯片，使电压改变从而控制不同的输出电流，进而控制输出电压和电流。要实现电流按比例分配，只需改变两个DA芯片的电压就可以实现电流分配。(如图4) 图4 DC/DC模块参考电路方案比较论证：方案一较方案二复杂，而且控制频率由外部控制时容易受到元件质量的影响，频率也难做的更高。LM2596就是在内部产生稳定的150K的振荡频率

16、，另外与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需不多的外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计，提高电路稳定性。该芯片还有以下特点: a.输出线性好且负载可调节 b.输出电流可高达3A c.输入电压可高达40Vd.低功耗待机模式，IQ 的典型值为80 A e.TTL 断电能力 f.具有过热保护和限流保护功能g.若使用ADJ型号的芯片可以实现电压可变。所以我们决定采用方案二进行电路设计。2.3 系统组成系统方案框图（如图5所示）图5 整个系统方案框图为提高效率，电源中还用到LM2596做了一个5V的辅助开关电源。（见

17、图6）图6 单片机供电电源3 理论分析与计算3.1 DC/DC模块参考电路设计（图7）(c)图7 单块DC/DC模块参考电路图片中的LM2596采用的是ADJ型的，可以通过公式求出输出电压。R可以在240和 1.5K之间为R1 选择一个适当的阻值。低阻值使敏感的反馈脚的噪声容限降到最小，选用精度为1%金属膜电阻，可以使温度系数降低，随时间的稳定度最好。我们选用时是用10K可调电阻经过调节找出适当阻值，调到1k时用单路DC模块独立测试，发现电流在2A时压降为7.96V，压降仅为0.04v，电压调整率为0.5%。于是我们采用R1=1K。由上面输出电压公式可知，当R2不变，改变R1，可以使输出电压改

18、变，当R1微变时电压就可以微调，用单片机控制R1改变就可以调节输出电压，使DC/DC模块在输出大电流时恢复并保持8V稳定。单片机的输入信号是取自采样电阻，再经过AD芯片转换为可读取信号。读到信号处理后输出端经过DA芯片控制DC/DC模块调节输出电压，使输出电压稳定。为了避免外加信号影响DC/DC模块，就要用到线性光电耦合器，通过改变光电耦合器输入电压就可以改变输出端的阻抗，该阻抗与R1并联，就可以实现等效的R1改变，从而调节输出电压改变。开关电源本身会产生一定的输出频率，若经过外加电源改变LM2596的4脚电压值会使得开关电源本身电压和外电源相互影响，无法控制输出电压实现稳定调节或者线性调节。

19、单边输入电压24V，输出最大电流2A时，查LM2596的曲线图可知，470uF的输入电容，68uH电感，220uF输出电容是较好的搭配，要求电容耐电压都为16V以上，为8V的2倍或以上，可使电路纹波减少，这里选用50V耐压的。电感的Q值至少为2，这里选用为6，Q值是越大越好。二极管选用1N5822，开关速度快，可以满足电路要求。另外，输入输出和可调电阻两端各并联一个104电容。R4用可调电阻代替可以调节光电耦合器的灵敏度，使其与DA芯片相适应。上图仅为一边DC/DC模块，另一边与这个电路除了光电耦合器的电阻不同之外（因为光电耦合有差异，可用可调电阻调节平衡），其它可调电阻值要调到基本一样，为的

20、是调节两边平衡，最后并联调节平衡。3.2 电压、电流采样电路的设计3.2.1.电流取样及放大控制电路原理图（如图8所示）图8 电压、电流取样电路原理图工作过程如下： 该电路的电流取样电路电阻分压式取样电压，通过取样电阻的压差计算电流值。为了减少误差，采样电阻都采用精度为1%的高精度电阻。设输出电流为I，采样电阻为R，欧姆定律有:U=I*R，取样电阻R为0.，当电流为0.5A时，电压差可以去到0.05V，这个电压已经可以被12位的AD芯片识别，所以可以采到这个电压并进行处理，计算出电流大小并显示出来。3.3 短路及过流保护电路的设计LM2596的5脚是一个ON和OFF的控制脚。当控制端接高电平时

21、，芯片关闭，悬空或接低电平时芯片开启。当5脚电压低于1.3V时，认为是低电平；芯片高于1.3V时为高电平，一般不取高于20V的电压。这里取5V，刚好是单片机的高电平，所以这里可以用单片机直接控制芯片的输出开、关。当电流大于4.5A时，单片机输出一个高电平，LM2596可以实现输出电压为零从而保护电路。3.4 数模（D/A）电平转换电路的设计(d) DAC单元电路将单片机发出的数字电压信号转换成相应的模拟电压，送给光电耦合器，然后控制输出电压电流改变。 D/A在该系统中，为了提高其精度，采用了TLC5615，该芯片是12位的D/A转换芯片，其转换精度高，速度快，其输出具有与基准输入相同的极性，其

22、传送的表达式为：软件的设计通过这公式就能比较准确的调整我们所需要的输出值。数模电路与单片机的接口电路（如图所示）。 A/D芯片则用来采样输出电压信号传输给单片机，单片机控制DC/DC模块进行控制控制。AD和DA共同组成了单片机的接收和发送信号的外部控制系统。(见图9，AD模块与此类似，在这里只写DA部分)图9 数模电路与单片机的接口电路4 主程序的设计(见图10)4.1 系统流程图和部分主程序：(d) 图10 程序流程图 /*开关电源*主控：STC12C5A32S2*显示：LCD12864*/#include#include#include init.h#include LCD12864.c#

23、include STC12C5A32S2.C#include TLC5615_1.c#include TLC5615_2.c#include test_Current.h#include lcd_display.h#include scan_key.h/-void main() uchar channel,num,num1; uint number; bit display_flag; Delay1ms(1); Init_LCD(); /初始化液晶 Init_ad(); /初始化AD /- channel=0; /第1个需要采集的通道 num=0; /第0次采集 number=0; /什么时间

24、显示 display_flag=1; /显示1次 clr_lcd(); while(1) /轮流采集3个通道电压，每个通道采集8次/1023*0.488758=500,放大了100倍 ResValuechannelnum=get_ad_result(channel)*0.48875;/-channel+; /采集下个通道if(channel2) channel=0; num+; /下一轮采集 if(num7) num=0; test_Current(); comp_value(); /比较电压，并且输出电压 number+; /液晶显示次数采集32100次后，显示 if(number100)

25、number=0; display_flag=1; /-/液晶显示速度，每秒不超过2次,跟number 有关，调试得到if(display_flag=1) display_flag=0; num1+; LCD_str012=0x30+num1%10000/1000; LCD_str013=0x30+num1%1000/100; LCD_str014=0x30+num1%100/10; LCD_str015=0x30+num1%10; SendDisp();/-key_scan(); /按键扫描init_Current(); /当电流在1.5-3.5V时，电流设定比例/电流在1.53.5范围内，

26、按键有效if(Now_Current3150*(1-0.95)if(Now_Current3350*(1+0.95) 5 测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表5.1.1所示。表5.1.1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1 可调变阻器12可调直流源13数字万用表45.1 设定值与显示值的误差测试在输入电压24V，输出8V的条件下，设定值与实际输出值数值（如表5.2.1所示）。单位：（毫安） V（伏） (IA:IB)表5.2.1电流设定比值电流实测值电流误差百分比负载电压电压调整率1:1502:4795%8.162%1:11020:10702.6%8.101.2%1:2542:10

27、362.3%8.162%2:11114:5084.8%8.051%6 误差分析6.1 设定值与显示值的误差分析(a)通过测得数据我们可以通过公示算出其输出电流的变化的误差（如表一所示），从表中可以很明显地看出，其误差并不小，这是在较多显示电流中选取的平均数据。但是按6%的误差计算，题目基本要求部分已经实现，对于发挥部分第（1）点，只能实现一部分功能，误差主要在于开关电源输出电压中纹波较大，影响了采样电路的稳定性。从而使输出电压不稳，导致了侧量结果出现波动，导致单片机计算出现误差。7 结束语电路的程序设计思路、采样电路等都直接影响电路的性能，电路的调试是电路设计成功的关键!在调试过程中，采用的方

28、法是逐个击破思路，先保证硬件电路能在脱离单片机控制是基本保持1:1的电流分配，然后再调试程序，驱动DA输出不同电压控制光耦，从而达到精确控制的目的。这个开关电源在电路上并不十分完美，在按比例分配电流时，反应时间符合要求但是仍可加快，若可以参照万用表的测量、显示方法改进该电路的采样、显示电路可大大提高产品性能。电路测试数据相对稳定，同时电路的带负载能力很强，最大可达4A。在每个DC模块输出1A到2A电流时LM2596基本不发热，电路整体效率可达70%。这是集成稳压芯片无法达到的。通过这次的设计，无论是从电子专业知识还是团队精神等方面都受益匪浅。参考文献：（a）模拟电子技术及应用 熊伟林 主编 北京：机械工业出版社，2003、1（b）开关电源实用技术设计与应用 周志敏等编箸 北京：人民邮电出版社 2003、8（c）电源应用电路集粹全新实用电路集粹丛书编辑委员会编箸 北京：机械工业出版社2005、2（d）例说51单片机 张义和等编箸 北京：人民邮电出版社 2010、6