2011電子設(shè)計競賽A題論文

1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（a 題）【本科組】2011 年 9 月 3 日i i 摘要本設(shè)計利用單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的pwm 信號來分別控制兩個pwm 斬波式的 dc/dc 模塊，以此來實現(xiàn)對并聯(lián)dc/dc 模塊的輸出電壓及電流的控制。采用精密功率電阻對相關(guān)輸出支路上的電流、電壓進(jìn)行采集測量， 實時反饋單片機的 ad 口進(jìn)行采樣。單片機根據(jù)采樣值和一定的電流分配算法計算出對各模塊的輸出電壓和電流調(diào)整，實現(xiàn)兩個dc/dc 模塊的并聯(lián)穩(wěn)壓恒流。通過實驗測試，在額定功率下， 整個供電系統(tǒng)的效率達(dá)到81%， 并且模塊的輸出電流可按指定比例自動調(diào)整，電流相對誤差不大于2%，具

2、有負(fù)載短路保護及自動恢復(fù)功能，可以在液晶上實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)實現(xiàn)了所有基本部分和發(fā)揮部分的要求。關(guān)鍵字： dcdc；并聯(lián)；穩(wěn)壓；比例電流2 2 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（a 題）【本科組】1 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由 dc/dc 模塊、信號采集處理模塊、 電流調(diào)節(jié)模塊組成， 下面分別論證這幾個模塊方案的選擇。1.1 dc/dc 方案的論證與選擇系統(tǒng)要求兩個并聯(lián)的dc/dc 模塊，輸入電壓均為24v，輸出至 8v，所以考慮降壓型的 dc/dc 方案。方案一：采樣集成脈寬調(diào)制器如tl494，此種芯片 pwm 產(chǎn)生較為簡單，外圍器件較少可以很快搭建起恒壓輸出電路。但這種方案調(diào)整精度不高， 要做到

3、恒壓和恒流輸出較為困難。方案二：采用單片機來產(chǎn)生pwm 而采用 pwm 斬波電路來實現(xiàn)dcdc 變換，這種軟件產(chǎn)生 pwm 的方案不僅是 pwm 的產(chǎn)生和調(diào)整更加簡單而且調(diào)整精度很高，還可以通過單片機實現(xiàn)多路模塊的平衡控制。對比以上兩種方案方案二更加簡單可行，所以本設(shè)計采用方案二。1.2 電壓、電流測量方案的論證與選擇要得到恒定的電壓，以及符合要求的電流，所以要對電路的輸出電壓、相關(guān)支路電流進(jìn)行測量以便進(jìn)行閉環(huán)控制。易知電壓可采用常用的串聯(lián)分壓方法測得。經(jīng)分析知可采用以下幾種方案測量的電流。方案一：電流采樣芯片。直接采用集成的電流采樣芯片，這種電流采樣芯片內(nèi)阻小，電流采樣較為精確。但是成本較高

4、，在精度要求不是很高的情況下，不優(yōu)先考慮此方案。方案二：串聯(lián)大功率精密電阻，在其兩端進(jìn)行差分放大，然后送至ad 采樣。這種方法簡單直接，其電流的采集更加接近真實的電流。綜合以上兩種方案的分析，選擇方案二。1.3 電流調(diào)節(jié)算法法及實現(xiàn)方案方案一：用 pwm 專用芯片產(chǎn)生 pwm 控制信號。配合常用的并聯(lián)均流技術(shù)實現(xiàn)電流均3 3 流（1:1）控制。其中均流采用模擬的方式，由于方案成熟，有均流精度高，動態(tài)響應(yīng)好及實現(xiàn)冗余技術(shù)等特點。但是該方案有控制不靈活，不可調(diào)節(jié)電流比例的缺點。方案二：由單片機的pwm 口產(chǎn)生占空比可變的pwm 信號。通過經(jīng)典控制算法實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恒壓閉環(huán)控制，同時調(diào)節(jié)電流按指定比

5、例分配。易于實現(xiàn)，節(jié)約硬件成本。綜合考慮采用方案二。2 系統(tǒng)理論分析與計算2.1 開關(guān)電源器件參數(shù)的分析2.1.1開關(guān)管的選擇該開關(guān)管選用 p溝道功率場效應(yīng)管 irf9540。irf9540的 uds = -100v ,rds = 0.300 , i0= -12a。mosfet 上承受的最大電壓為um ,考慮輸出電壓 10 %的波動 , 電感的反峰尖刺為穩(wěn)態(tài)值的20 % , 且留有余量 ,mosfet承受的最大電壓為40v , 流經(jīng)的最大電流為 2a , 而且由于其電阻值很小 , 故其功耗也很小。根據(jù)上分析 , irf9530完全可以滿足設(shè)計要求。2.1.2 續(xù)流二極管的選擇續(xù)流二極管應(yīng)采用快

6、恢復(fù)二極管,其具有開關(guān)特性好、耐壓高、正向電流大等優(yōu)點。本設(shè)計采用快恢復(fù)二極管fr302 ,其耐壓值為100v,正向電流為10a ,最大恢復(fù)時間為 100ns , 滿足設(shè)計要求。2.2 采樣電阻的計算由于采樣電阻是串聯(lián)在主電路當(dāng)中， 其主電流會流過采樣電阻。 因其輸出電流很大，為了盡量減少其功耗其電阻值應(yīng)盡量小。根據(jù)實際需要本設(shè)計在分支電路采用100m?1%的精密電阻，而總線電路采用50m? 1%的精密電阻。2.3 比例電流的控制方法本設(shè)計的電路要實現(xiàn)對電流的比例控制，這是有一個前提的，那就是輸出電壓必須穩(wěn)定，為 8v。故此，本設(shè)計在調(diào)整電流比例的過程中，必須時刻考慮電壓的控制。本設(shè)計對電流比

7、例的調(diào)控方法就是如下調(diào)控過程：首先本設(shè)計將電壓調(diào)整到要求的電壓8v，然后本設(shè)計以其中一個dc-dc 分支為基礎(chǔ)，不改變驅(qū)動它的pwm 波占空比；調(diào)整另外一個 dc-dc 分支的 pwm 占空比，改變它的輸出電流。而輸出電壓在整個過程4 4 中保持不變，負(fù)載也保持不變，故而輸出的總電流不變。本設(shè)計通過改變其中一支的電流，另一支的電流就會呈相反變化，最終達(dá)到所需要的電流比。3 電路與程序設(shè)計3.1 電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示,圖 1 系統(tǒng)總體框圖3.1.2 dcdc 模塊系統(tǒng)框圖與電路原理圖本系統(tǒng)采用 buck 電路進(jìn)行 dc - dc變換。利用調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來控

8、制輸出電壓。開關(guān)管關(guān)斷與開通交替進(jìn)行 , 電感 l 將交替的存儲和釋放能量 , 電感 l 儲能后使電壓上升。而電容 c 則將輸出電壓保持平衡 , 輸出輸入電壓關(guān)系為 : uo = uin ton /( ton + toff ) -1-4 只需要通過改變開關(guān)管通斷占空比即可得到所需輸出電壓。5 5 圖 2 dc/dc 變換主電路由于輸出額定功率為36w， 所以需要在開關(guān)管加驅(qū)動電路。 本設(shè)計選擇的是 ir2110, ir2110 采用 hvic 和閂鎖抗干擾cmos 制造工藝， dip14 腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道； 懸浮電源采用自舉電路， 其高端工作電壓可達(dá)500v，dv/dt=5

9、0v/ns，15v 下靜態(tài)功耗僅 116mw；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍 1020v；邏輯電源電壓范圍（腳9）515v，可方便地與ttl ，cmos 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有5v 的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500khz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns 和 94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2a。圖 3 mose 管驅(qū)動電路6 6 圖 4 單片機供電電源圖 5 輸出濾波電路圖 6 液晶顯示電路7 7 圖 7 xs128 主控電路圖 8 74hc244 并行驅(qū)動電路3.1.3電流測量子系統(tǒng)電路原理圖圖 9 電流測量子系統(tǒng)電路8 8 3.2 程序的設(shè)計

10、3.2.1算法描述與設(shè)計思路該設(shè)計中采用數(shù)字pi 調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流電壓的反饋控制。它是一種線性控制器， 它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差：-1-5 將偏差的比例（ p）和積分（ i）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象（pwm 波的占空比）進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：-1-6 其中 u(t)為 pi 控制器的輸出， e(t)為 pi 調(diào)節(jié)器的輸入， kp 為比例系數(shù)， ti 為積分時間常數(shù)。簡單說來， pi 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：即成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著kp 值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加

11、大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng)kp 增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數(shù) ti，ti 越大，積分作用越弱，反之越強。通常在kp 不變的情況下， ti 越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。1、程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要有穩(wěn)壓、電流比例控制，以及相應(yīng)的鍵盤及顯示程序。1）鍵盤穩(wěn)壓及電流比例控制功能：當(dāng)負(fù)載變化時，保證輸出電壓始終穩(wěn)定在80.4v,同時調(diào)整占空比使電流的之比達(dá)到自動或指定分配的比例。2）鍵盤及顯示部分： 通過按鍵選擇系統(tǒng)的工作模式-自動比例分配電流和指定比例分配電流。同時在lc

12、d 上顯示相應(yīng)模式的狀態(tài)電流、電壓等參數(shù)。2、程序設(shè)計思路3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖9 9 4 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試條件與儀器測試條件： 檢查多次， 仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表，滑動變阻器。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1額定輸出功率在額定功率下即每個dc/dc 模塊均輸出電壓 8.00.4v 輸出功率為 16w：表 1 功率、效率測試表輸入電壓輸入電流輸出電壓輸出電流輸入功率輸出功率效率24v 1.7a 7.96v 3.960a 40.8w 31.52 77.25% 10 10 4.3.2電流比例測試表 2 電流比測試表測 試 數(shù) 據(jù)輸出電壓7.9v 8.1v 8.04v 模塊 1 電流510ma 508ma 2013ma 模塊 2 電流492ma 998ma 2007ma 電流比例1.04 0.509 1.003 4.3.3分析與結(jié)論基本上達(dá)到了題目的各項要求， 特別是在效率方面表現(xiàn)突出。 但是由于手工制作的原因，以及開關(guān)電源電路本身的限制，紋波難以完全消除，導(dǎo)致電路的測量不夠準(zhǔn)確，使系統(tǒng)的一些參數(shù)不是很理想，但本設(shè)計通過采用差模放大電