開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)論文

1、開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)摘 要隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子裝置對電源功率的要求越來越高，對電流的要求也越來越大，但受構(gòu)成電源模塊的半導(dǎo)體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單個(gè)開關(guān)電源模塊的輸出參數(shù)（如電壓、電流、功率）往往不能滿足要求，而且如今光伏產(chǎn)業(yè)也迅猛發(fā)展，而單個(gè)電源的效率能量都很低。因此，電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。本系統(tǒng)由并聯(lián)穩(wěn)壓電源和檢測控制系統(tǒng)組成。穩(wěn)壓電源使用電壓調(diào)節(jié)器LM2596實(shí)現(xiàn)降壓，監(jiān)測控制電路我們采用STC12C5A32S2單片機(jī)作為控制核心，配合使用小信號(hào)放大器AD620放大采集到的信號(hào)；采用比較器LM393比較兩路采集的信號(hào)，并采用主從均流的方法，

2、對采集到的兩路電流信號(hào)，通過算法分配誤差值，自動(dòng)調(diào)整每一路的電流大小，并通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏將采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。并設(shè)計(jì)有過流保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載電流超過設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)電路切斷電源并延時(shí)一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。經(jīng)測試，本次設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)能夠較好的實(shí)現(xiàn)兩路電流分配，效率可以達(dá)到80%以上，每路電流的相對誤差3%左右。關(guān)鍵詞：LM2596，開關(guān)電源，并聯(lián)供電，單片機(jī)，均流Switching Power Supply Module Parallel Power Supply SystemABSTRACTNow, with the development of power ele

3、ctronics technology, the variety of electronic devices on the electrical power requirements higher and higher, the current requirements is also growing, but by the performance of power semiconductor devices constitute the power supply module, and magnetic materials impact of a single switching power

4、 supply module output parameters (such as voltage, current, power) often can not meet the requirements and today's PV industry is the rapid development of the efficiency of the energy of a single power supply is very low. Therefore, the power supply module parallel power supply system is adopted

5、.The system consists of the shunt regulator power supply and measurement and control system. Power supply voltage regulator LM2596 to achieve blood pressure, monitoring and control circuit with STC12C5A32S2 SCM as the control unit, used in conjunction with the small-signal amplifier AD620 to enlarge

6、 the acquisition of signal; comparator LM393 two acquisition signal, and using the master and slave are flow method, the two current signals collected by the algorithm assign error to automatically adjust the current size of each road, and collected data through the microcontroller drive the LCD scr

7、een will display in the LCD1602. And the design of the overcurrent protection circuit, when the system load current exceeds the set value, start automatically after the restoration of electricity protection circuit to cut off the power and a certain time delay. Been tested, the design of the power s

8、upply system can better achieve the two current distribution, the efficiency can reach more than 80%, the relative error of each current is about 3%.KEY WORDS：LM2596,Switch power supply,Parallel power supply,Single-chip microcomputer,Current sharing目 錄前 言1第1章 緒論3§1.1 選題的意義及目的3§1.2 國內(nèi)外同類設(shè)計(jì)的

9、現(xiàn)狀4§1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)5第2章 設(shè)計(jì)方案6§2.1 設(shè)計(jì)思路6§2.2 方案論證7§2.2.1 DC-DC電路設(shè)計(jì)方案選擇7 分流方案選擇8 過流保護(hù)電路方案選擇9 輔助電源電路方案選擇9第3章 硬件電路設(shè)計(jì)11§3.1 DC-DC模塊設(shè)計(jì)11§3.2 電流檢測模塊設(shè)計(jì)12§3.3 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)13§3.4 輔助電源模塊設(shè)計(jì)14§3.5 顯示模塊設(shè)計(jì)15第4章 軟件設(shè)計(jì)16§4.1 Keil C51集成開發(fā)環(huán)境介紹16§4.1.1 Keil C51集成開發(fā)平臺(tái)16 并口下載軟件使

10、用17§4.2 程序流程圖18第5章 系統(tǒng)測試20§5.1 測試儀器清單20§5.2 功能測試20 負(fù)載調(diào)整額定功率測試20 系統(tǒng)效率測試20 均流測試21 過流保護(hù)及自動(dòng)自恢復(fù)功能21§5.3 誤差分析21結(jié)論23參考文獻(xiàn)24致謝26附錄27前 言 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)。各種電子裝置對電源功率的要求越來越高，對電流的要求也越來越大，開關(guān)電源向更大功率方向發(fā)展。研制各種各樣的大功率、高性能的開關(guān)電源成為趨勢。但受構(gòu)成電源模塊的半導(dǎo)體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單

11、個(gè)開關(guān)電源模塊的最大輸出功率只有幾千瓦，但實(shí)際應(yīng)用中往往需用幾百千瓦以上的開關(guān)電源為系統(tǒng)供電 。因此，大功率電源系統(tǒng)需要用若干臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行，以滿足負(fù)載功率的要求。STC12C5A32S2配合使用小信號(hào)放大器AD620放大采集到的信號(hào)；采用比較器LM393比較兩路采集的信號(hào)，并采用主從均流的方法，對采集到的兩路電流信號(hào)，通過算法分配誤差值，自動(dòng)調(diào)整每一路的電流大小，并通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏將采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。我們 緒論 選題的意義及目的隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)。各種電子裝置對電源功率的要求越來

12、越高，對電流的要求也越來越大，開關(guān)電源向更大功率方向發(fā)展1。研制各種各樣的大功率、高性能的開關(guān)電源成為趨勢。但受構(gòu)成電源模塊的半導(dǎo)體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單個(gè)開關(guān)電源模塊的最大輸出功率只有幾千瓦，但實(shí)際應(yīng)用中往往需用幾百千瓦以上的開關(guān)電源為系統(tǒng)供電。因此，大功率電源系統(tǒng)需要用若干臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行，以滿足負(fù)載功率的要求。同時(shí)考慮分布式與集中式電源系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)點(diǎn),具體采用分布式電源系統(tǒng)供電。這樣每個(gè)變換器只處理較小功率，降低了應(yīng)力，還可以應(yīng)用冗余技術(shù)，提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，并且使用場合不受限制，根據(jù)需要組合，方便靈活。其容量可以任意擴(kuò)展。同時(shí)可將模塊的開關(guān)頻率提高到兆赫級，

13、從而提高模塊的功率密度使電源系統(tǒng)的體積、重量得到下降。可謂一舉多得。由于大功率電源負(fù)載需求的增加以及分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性也日益突出。在本次設(shè)計(jì)中，電子測量技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用，以及模擬/數(shù)字信號(hào)處理等的多種學(xué)科技術(shù)知識(shí)的綜合運(yùn)用。通過本設(shè)計(jì)，提高本專業(yè)各學(xué)科綜合知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用能力，與此同時(shí)也提高自身的分析能力與實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)自身對設(shè)計(jì)的科學(xué)性、系統(tǒng)性、及全面性的理解。通過此次設(shè)計(jì)，能較好的掌握硬件電路的設(shè)計(jì)的工作流程，進(jìn)一步體會(huì)匯編語言與C語言編寫程序的優(yōu)缺點(diǎn)。 國內(nèi)外同類設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀目前我國通信、信息、家電和國防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開關(guān)電源，相控電源將逐漸被淘

14、汰。國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本上起源于20世紀(jì)70年代末和80年代初。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大進(jìn)步和突破。新型磁性材料和新型變壓器的開發(fā)、新型電容器和EMI濾波器技術(shù)的進(jìn)步以及專用集成控制芯片的研制成功，使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了小型化，并提高了EMC性能。微處理器監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源的可靠性，也適應(yīng)了市場對其智能化的要求3。 總之，回顧開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展過程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大勢所趨，也是今后的發(fā)展方向。 而開關(guān)并聯(lián)供電這幾年也隨著光伏產(chǎn)業(yè)以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，也迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。像電動(dòng)自行車、逆變焊機(jī)、電鍍金等和一些大功率

15、供電場合，都用到了這項(xiàng)技術(shù)。而單片機(jī)也是未來發(fā)展的一個(gè)方向，本次設(shè)計(jì)中用單片機(jī)進(jìn)行控制，與其他類似的設(shè)計(jì)相比就有了很多的優(yōu)點(diǎn)。 對于電子產(chǎn)品而言，系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往是一個(gè)很重要的因素。對于并聯(lián)電源而言，要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使各并聯(lián)電源模塊的輸出電流平均分配是一個(gè)必須要解決的問題。 目前，國內(nèi)外有幾種比較傳統(tǒng)的并聯(lián)均流方案，像下垂法、主從電源法、自動(dòng)均流法和最大電流法、外部控制器法等等。但目前國家級上使用較多的是主從控制法，而美國Unitrode公司以最大電流法為基礎(chǔ)開發(fā)出的UC3907系列芯片，由于其簡單的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)大的功能，也獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著單片機(jī)及DSP技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在可以用它們來控

16、制并聯(lián)的電源模塊均流，效果很好。不過由于芯片造價(jià)較高，而且自身A/D及D/A精度不夠，若想得到理想的參數(shù)，還須外加專門的A/D及D/A芯片，所以還沒有廣泛普及，而本次設(shè)計(jì)就將采用主從電源法配合單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為16W的8V DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)如下圖1-1所示。圖1-1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)要求：（1）調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓UO=8.0±0.4V。 （2）額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于60% 。 （3）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓 UO=8.0±0.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和

17、 IO =1.0A且按 I1:I2=1:1 模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于5%。 （4）具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為4.5A（調(diào)試時(shí)允許有±0.2A的偏差）。 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 題目要求制作兩個(gè)額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)，輸出額定電壓不變，兩個(gè)模塊的電流能根據(jù)負(fù)載的不同進(jìn)行自動(dòng)分配，且不能使用線性電源及產(chǎn)品的DC/DC模塊。LM2596是一個(gè)集成的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，外部電路簡單，合理的選擇外部電容電感等原件，就能實(shí)現(xiàn)輸出額定功率16W電壓為8V的DC/DC模塊。由于輸出電流要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配，僅僅通過簡單的并

18、聯(lián)方式還不能完全保證整個(gè)擴(kuò)展后的電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。所以必須對電流電壓檢測后使用均流方法對兩個(gè)模塊的電流進(jìn)行均流調(diào)控。本次設(shè)計(jì)采用模塊兒劃分的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊兒： 本系統(tǒng)采用STC12C5A32S2作為主控制器,由LCD1602顯示。采用開關(guān)電源LM2596芯片作為開關(guān)管對輸入電壓進(jìn)行降壓控制。同時(shí)單片機(jī)控制AD芯片對充電電流回路里取樣，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換后顯示相關(guān)的電壓電流值。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：圖2-1 整體系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。24v直流直接經(jīng)并聯(lián)的DC-DC開關(guān)電源模塊降壓到8v給負(fù)載供電。單片機(jī)控制系統(tǒng)利用AD轉(zhuǎn)換芯片對兩路的電流和負(fù)載的電壓

19、進(jìn)行采樣，并采用合適的分流算法去改變兩路開關(guān)電源的輸出電流。當(dāng)輸出電流大于保護(hù)設(shè)定值產(chǎn)生過流保護(hù)信號(hào)切斷主電路，然后延時(shí)通電并過流檢測，直到電路恢復(fù)正常為止。電參數(shù)的直流電能轉(zhuǎn)換為另一組電參數(shù)的直流電能的電路4。根據(jù)題目要求，本模塊須采用DC/DC降壓變換電路（Buck電路），實(shí)現(xiàn)8V直流輸出電壓。Buck電路的實(shí)現(xiàn)可以由分離原件與專用集成芯片組成。方案一：采用PWM控制的高頻開關(guān)變壓器實(shí)現(xiàn)。如圖2-2所示，反激式DC/DC變換器開關(guān)管（Tr）導(dǎo)通時(shí)，變壓積能量，截止時(shí)輸出能量。反激式優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、外圍元件少，要扼流圈和續(xù)流二極管。輸出電壓公式： (2-1)并聯(lián)時(shí)，由于是一個(gè) PWM 控制

20、器同時(shí)控兩路，兩路的開關(guān)管在高頻下始終是導(dǎo)通和關(guān)斷的，所以電容上始終保持同時(shí)充電和放電，因此并聯(lián)時(shí)兩路電流始終保持相等；缺點(diǎn)是：變壓器存在漏感，將在原邊形成很大電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件；負(fù)載調(diào)整率差；電源效率低；能量由變壓器T儲(chǔ)存，體積較大，而且需要開氣隙。圖2-2 反激式DC/DC電路方案二：采用TI 公司的PWM 控制芯片TL494，驅(qū)動(dòng)P溝道MOS 管IRF9630。TL494內(nèi)部集成兩個(gè)誤差放大器，通過反饋能對PWM信號(hào)的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)部自帶5V基準(zhǔn)，能夠?qū)敵鲭妷簩?shí)現(xiàn)精確控制。方案三：采用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片LM2596-ADJ實(shí)現(xiàn)。LM2596能夠輸出 3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很

21、好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性5?？烧{(diào)版本可以輸出小于 37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為 150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需外接少量元件，使用方便。以上三種方案都能滿足電源效率不低于為60%,但是方案二需要使用PWM控制芯片TL494，所接外部器件比較多，而且需要自制高頻開關(guān)變壓器，性能無法得到保證；方案三采用LM2596芯片作為DC-DC 模塊的主器件，具有可靠，穩(wěn)定的性能，改變外部電阻可以較好的控制，所以采用第三種方案。 分流方案選擇 現(xiàn)在的均流方法有很多種，常用的有方案一：我們分別采用兩片TL494來為兩路電源提供

22、PWM，當(dāng)兩路并聯(lián)時(shí)，利用其中一片TL494的一個(gè)內(nèi)部誤差放大器對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其輸出穩(wěn)定在8V。利用兩片高精度差動(dòng)放大器INA133對兩路電源的電流進(jìn)行取樣，將取樣電壓分別送入另一片 TL494 的一個(gè)內(nèi)部誤差放大器的正負(fù)輸入端，通過兩片 TL494 的內(nèi)部誤差放大器進(jìn)行電流電壓復(fù)合負(fù)反饋，從而進(jìn)行穩(wěn)壓并實(shí)現(xiàn)均流。為了電路工作穩(wěn)定，使誤差放大器工作在閉環(huán)狀態(tài)，此時(shí)通過調(diào)整誤差放大器的放大倍數(shù)即可調(diào)節(jié)均流精度，但由于誤差放大器的放大倍數(shù)有限，只能近似實(shí)現(xiàn)均流。方案二: 最大電流均流法。本方案采用負(fù)載共享控制器UCC29002實(shí)現(xiàn)。在DC-DC 模塊正常工作時(shí)，將兩路UCC29002的均流母線

23、連接，此時(shí) UCC29002將會(huì)自動(dòng)選出電流最大的一路，并將此路電源作為主電源。均流母線上的電壓將由主電源的輸出電流決定，從電源的UCC29002接收到母線上的信號(hào)后，會(huì)控制該路DC-DC模塊稍稍提高輸出電壓。通過減小從電源與主電源的電壓差來提高該路輸出電流，從而達(dá)到均流。并且該方案可通過十分簡單的電路完成任意路并聯(lián)均流，且支持熱插拔。方案三：主從均流法。主從法的均流思想是在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，人為的指定一個(gè)模塊為主模塊，直接連接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號(hào)主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因?yàn)橄到y(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸

24、出電流與誤差電壓成正比，所以不管負(fù)載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。采用這種均流方法，精度高，控制結(jié)構(gòu)簡單，模塊間聯(lián)線少，易于拓展為多路。缺點(diǎn)是一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓。方案四：采用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)分流。利用十位AD TLC1549單片機(jī)STC89C52檢測采樣電阻采樣輸出電流，利用合理的算法對電流進(jìn)行分配，此硬件電路設(shè)計(jì)簡單。根據(jù)上述幾種方案的比較結(jié)合題目的控制要求，方案三的電路結(jié)構(gòu)簡單，不用使用軟件算法，直接由硬件來實(shí)現(xiàn)。速度快且精度高，控制結(jié)構(gòu)很簡單，所以最終選擇方案三來實(shí)現(xiàn)均流控制。 過流保護(hù)電路方案選擇 方案一：采用硬件過流保護(hù)功能，當(dāng)檢測到的電流值超過4.5A的短路閾

25、值電流時(shí)，比較器輸出高電平切斷繼電器，當(dāng)電流值低于4.5A時(shí)，繼電器又吸合，電路恢復(fù)工作。但是為了避免繼電器頻繁切換，必須經(jīng)過一定的延時(shí)后再控制繼電器吸合，因此增加了電路的復(fù)雜性。 方案二：采用軟件過流保護(hù)功能，電流檢測值超過4.5A時(shí)單片機(jī)控制繼電器斷開，經(jīng)一定的軟件延時(shí)后再控制繼電器吸合。延時(shí)時(shí)間可以由軟件任意設(shè)定，增加了控制的靈活性。因此我們選用方案二。 輔助電源電路方案選擇方案一：采用反激電路實(shí)現(xiàn)。一路反激電路可以同時(shí)輸出+5V和+12V，但反激電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要變壓器，效率較低。方案二：基于單片開關(guān)電源LM2596降壓電路方案。此方案每路電源只能有一路輸出，在這里我們將用LM2596

26、輸出固定電壓+5V，作為輔助電源來給系統(tǒng)中的芯片供電。但基于LM2596的降壓電路外圍器件很少，無需變壓器和獨(dú)立的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)非常簡單，調(diào)試方便。LM2596具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差很小，并且具有自我保護(hù)功能，外圍電路比較簡單，僅需4個(gè)外圍元件，且能夠使用容易購買的標(biāo)準(zhǔn)電感。綜合考慮，我們選擇方案二來設(shè)計(jì)輔助電源。 硬件電路設(shè)計(jì) DC-DC模塊設(shè)計(jì)用一個(gè)LM2596接成可調(diào)的輸出恒壓源，通過改變電阻R3使輸出電壓為8V的恒壓源。再用一個(gè)LM2596接成同樣地電路，兩模塊并起來。負(fù)載上的電流為兩模塊的電流之和，可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載改變負(fù)

27、載上的電流。模塊一如圖3-1所示：圖3-1 DC-DC電路圖注：反饋線要遠(yuǎn)離電感，電路中的粗線一定要短，最好用地線屏蔽，調(diào)節(jié)輸出電壓的電阻R1、R3要靠近LM2596的4腳。輸出電壓的計(jì)算可由下式給出： （3-1）其中， 為了確保輸出穩(wěn)定，R1選用標(biāo)稱阻值為1K，精度為1%的電阻。其工作原理是：此電源芯片的4腳 Feedback 端的電壓穩(wěn)定在1.23V，5腳ON/OFF端由邏輯電平來電源芯片的打開和關(guān)斷，1腳為輸入端，2腳為輸出端，芯片通過調(diào)整起輸出脈寬來，腳電壓穩(wěn)定在1.23V，流入 Feedback 端的電流為零，通過改變R3的值就可以改變電壓的大小，影響電壓輸出的就是R1、R3的取值，

28、現(xiàn)我們通過改變由R1、R3來實(shí)現(xiàn)我們所要設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓源的電路。本次設(shè)計(jì)需要輸出8V的電壓，因此=5.5K兩個(gè)模塊相同，因此R6也取5.5K。 電流檢測模塊設(shè)計(jì)電流檢測電路如下圖3-2所示，AD620是一個(gè)高精度低失調(diào)電壓的儀表放大器，只需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10000。并且AD620功耗很低，非常適合電池供電及便攜式應(yīng)用。而LM393是由兩個(gè)獨(dú)立的、高精度電壓比較器組成的集成電路。它的失調(diào)電壓很低，只有2.0mV。而且即使單電源供電，比較器的共模輸入電壓范圍接近地電平。這里我們只作為基本的比較器來應(yīng)用。LM393為電壓比較器，因此在每一路DC/DC電路上都串聯(lián)了一個(gè)1的采樣電

29、阻，并且為了實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能，在負(fù)載上也串聯(lián)了一個(gè)1的采樣電阻，以供以后采樣使用。兩路采樣得到的電壓值，都經(jīng)過AD620放大后，送給比較器LM393，最終將比較結(jié)果反饋給一路LM2596的反饋端，以便其對電流進(jìn)行調(diào)整。在這里負(fù)載接的是可調(diào)的變阻器，為以后的測試做準(zhǔn)備，如下圖3-2所示：圖3-2 電流檢測電路 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制電路如圖3-3所示，采用STC12C5A32S2作為控制模塊核心。單片機(jī)最小系統(tǒng)簡單，容易制作PCB，算術(shù)功能強(qiáng)，軟件編程靈活、可以通過串口方式將程序快速下載到芯片，方便的實(shí)現(xiàn)程序的更新，自由度大，較好的發(fā)揮C語言的靈活性6，可用編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，且STC

30、12C5A32S2系列單片機(jī)的工作電壓：2.0V3.8V，正常工作電流< 2.7mA，空閑模式電流<1.3mA，掉電模式電流0.1A，所以采用STC12C5A32S2作為控制模塊核心具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨戏治觯肧TC12C5A32S2單片機(jī)內(nèi)置的AD，將采樣得到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將其輸出顯示在LCD1602液晶顯示屏上。并利用軟件算法，在負(fù)載電流大于4.5A左右時(shí)，通過單片機(jī)控制繼電器斷開，經(jīng)一定的軟件延時(shí)后再控制繼電器吸合。具體的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-3所示：圖3-3 單片機(jī)控制電路圖 輔助電源模塊設(shè)計(jì)由于題目對效率要求特別高，若采用一般的

31、線性電源，效率很低，所以本設(shè)計(jì)采用具有高效率的開關(guān)電源調(diào)節(jié)器LM2596-5及古定輸出的方式直接將24V直流轉(zhuǎn)化為5V直流，作為輔助電源給系統(tǒng)中的芯片供電。其電路圖如圖3-4所示：圖3-4 輔助電源電路如果開關(guān)電源紋波比較大的話，可以在LM2596-5輸出端并聯(lián)一個(gè)200uf和兩個(gè)0.01uf的電容使得LM2596-5能供給單片機(jī)更穩(wěn)定的電壓。 顯示模塊設(shè)計(jì) 本次采用LCD1602液晶顯示器，來顯示檢測得到的電壓電流值。通過單片機(jī)對1的采樣電阻采樣，經(jīng)過內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)的P0口輸出到LCD1602上顯示。能夠清楚地觀察到兩路電路的測試結(jié)果：圖3-5 顯示模塊電路 軟件設(shè)計(jì)

32、 Keil C51集成開發(fā)環(huán)境介紹 Keil C51集成開發(fā)平臺(tái) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它的硬件電路設(shè)計(jì)完成后，接著便是軟件編寫及仿真調(diào)試。這里先介紹一下Keil C51集成開發(fā)環(huán)境軟件及并口下載軟件DownloadMcu的使用。 Keil C51集成開發(fā)環(huán)境主要由菜單欄、工具欄、源文件編輯窗口、工程窗口和輸出窗口五部分組成。工具欄為一組快捷工具圖標(biāo)，主要包括基本文件工具欄、建造工具欄和調(diào)試工具欄，基本文件工具欄包括新建、打開、拷貝、粘貼等基本操作。建造工具欄主要包括文件編譯、目標(biāo)文件編譯連接、所有目標(biāo)文件編譯連接、目標(biāo)選項(xiàng)和一個(gè)目標(biāo)選擇窗口。調(diào)試工具欄位于最后，主要包括一些仿真調(diào)試源程序的基本

33、操作，如單步、復(fù)位、全速運(yùn)行等。在工具欄下面，默認(rèn)有三個(gè)窗口。左邊的工程窗口包含一個(gè)工程的目標(biāo)（target）、組（group）和項(xiàng)目文件。右邊為源文件編輯窗口，編輯窗口實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)文件編輯器，我們可以在這里對源文件進(jìn)行編輯、修改、粘貼等。下邊的為輸出窗口，源文件編譯之后的結(jié)果顯示在輸出窗口中，會(huì)出現(xiàn)通過或錯(cuò)誤（包括錯(cuò)誤類型及行號(hào)）的提示。如果通過則會(huì)生成“HEX”格式的目標(biāo)文件，用于仿真或燒錄芯片。MCS-51單片機(jī)軟件Keil C51開發(fā)過程為：1.建立一個(gè)工程項(xiàng)目，選擇芯片，確定選項(xiàng)。2.建立匯編源文件或C源文件。3.用項(xiàng)目管理器生成各種應(yīng)用文件。4.檢查并修改源文件中的錯(cuò)誤。5.編譯

34、連接通過后進(jìn)行軟件模擬仿真或硬件在線仿真。6.編程操作。7.應(yīng)用。 并口下載軟件使用 我們編寫設(shè)計(jì)的單片機(jī)應(yīng)用程序編譯完成并生成HEX文件后，就需要將HEX文件寫入單片機(jī)中，使單片機(jī)通電后能運(yùn)行起來。將HEX文件寫入單片機(jī)中一般有兩種方法，一種是采用通用（萬用）編程器將HEX文件燒寫到芯片中，然后將芯片插到目標(biāo)（試驗(yàn)）板上；另一種是通過PC機(jī)的并口、串口或USB口，使用下載器將HEX文件直接下載到目標(biāo)板上的芯片中。目前，免費(fèi)的并口下載軟件有很多。這里使用一款DownloadMcu的下載軟件，DownloadMcu軟件非常小巧，大小只有750K，免安裝，使用時(shí)只需拷貝到電腦的硬盤上即可，最好將其

35、設(shè)為桌面快捷方式便于使用。圖4-1 為DownloadMcu的工作界面。 圖4-1 DownloadMcu的工作界面DownloadMcu主要用于AT89S51/52單片機(jī)及部分AVR單片機(jī)的程序下載。使用DownloadMcu軟件前，先將并口下載器插電腦的并口，下載器（線）另一端的10芯插頭插51 MCU DEMO試驗(yàn)板的ISP口，然后試驗(yàn)板接通5V穩(wěn)壓電源工作。隨后雙擊桌面上的DownloadMcu快捷圖標(biāo)運(yùn)行軟件，在右側(cè)的芯片窗口中，拉動(dòng)上下滾動(dòng)條，選擇AT89S51，右上方的編程選項(xiàng)內(nèi)，在自動(dòng)擦除、ID校驗(yàn)、讀寫Flash前打勾選中。隨后點(diǎn)擊右側(cè)的瀏覽按鈕，裝載進(jìn)我們需要的HEX文件（

36、例如：D:/test/test.hex）。如果要改變下載速度，可以拉動(dòng)左下方的“讀寫速度”箭頭進(jìn)行調(diào)整。最后點(diǎn)擊下方的下載按鈕，這時(shí)左下方的進(jìn)程條顯示下載程序的進(jìn)度，同時(shí)，51 MCU DEMO試驗(yàn)板上標(biāo)示DISP的發(fā)光二極管會(huì)閃亮，說明程序正在順利下載。下載完畢后，在主窗口中會(huì)出現(xiàn)下載結(jié)果的信息（見圖4-2）。 圖4-2 下載信息 程序流程圖軟件設(shè)計(jì)采用C語言，對STC12C5A32S2進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)以下功能：控制ADC對電流進(jìn)行采樣，并通過內(nèi)置的12位AD將采樣得到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示2路并聯(lián)DC/DC的電流值；控制繼電器實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。程序流程圖如圖4-3所示，通電后單片

37、機(jī)控制AD不斷采樣負(fù)載電流，若負(fù)載電流超過額定電流，單片機(jī)啟動(dòng)保護(hù)電路，經(jīng)過一段時(shí)間后。電路恢復(fù)，如果檢測到電流沒有超過額定電流，側(cè)單片機(jī)處理所采集到的電流，經(jīng)處理后輸出到LCD1602液晶屏上，已達(dá)到題目設(shè)定要求。圖4-3 程序流程圖 系統(tǒng)測試 測試儀器清單 這次我們整個(gè)測試用到的儀器有一下這些，如表5-1所示：表5-1 測試儀器清單序號(hào)儀器名稱型號(hào)指標(biāo)1數(shù)字萬用表RIGOL DM30686位半2數(shù)字萬用表MY633位半3直流穩(wěn)壓電源UNI-T UTG9065C0-32.5V/3A 功能測試 負(fù)載調(diào)整額定功率測試測試條件：Uin=24V，負(fù)載由1K減少到5表5-2 負(fù)載調(diào)整率負(fù)載()1000

38、5001005020105電壓U(V)8.138.138.118.148.138.128.13從表5-2中可以看出，看出我們實(shí)測Uo最大為0.14V，題目要求輸出Uo為8V，相對誤差I(lǐng)o不超過±0.4V，所以完全達(dá)到題目要求。 系統(tǒng)效率測試表5-3 系統(tǒng)效率測試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24V1595mA8.13V4010mA38.28W32.6W85.2%24V1625mA8.14V4280mA39.00W34.84W89.3%24.1V1560mA8.12V3990mA37.59W32.4W86.2%24V1580mA8.14V3980mA37.92W3

39、2.39W85.4%23.9V1570mA8.12V4050mA37.82W32.88W86.9%測試條件：Uin=24V、輸出電壓Uo=8.13V左右、輸出電流Io=4A。從表5-3可以看出系統(tǒng)效率在85%以上，根據(jù)題目的要求60%以上，我們大大提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。且較好的完成了系統(tǒng)對效率的要求。 均流測試表5-4 均流偏差測試實(shí)測輸出電壓A路電流B路電流電流之比（I1:I2）總電流8.14V2.007A2.013A1:14.020A8.13V2.015A2.025A1:14.040A8.14V2.020A2.025A1:14.045A8.12V2.010A2.020A1:14.030A8.

40、14V2.010A1.996A1:14.006A從表5-4中可以看出,在調(diào)整負(fù)載電阻狀態(tài)下，電流在4A處滿足題目要求按照1:1分配，題目要求相對誤差在2%（40mA）范圍內(nèi)，我們測試結(jié)果最大相對誤差為7mA完全達(dá)到題目要求。 過流保護(hù)及自動(dòng)自恢復(fù)功能表5-5 過流保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)是否能實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù)及自恢復(fù)功能實(shí)測保護(hù)閥值電流能4.5A能4.45A能4.4A能4.55A能4.38A從表5-5可以看出，我們實(shí)現(xiàn)了4.5A左右的過流保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)功能，完成了題目的要求。 誤差分析 我們測量的誤差主要來源是電磁干擾，由于測試場地有許多電腦和儀器使用開關(guān)電源以及板子的布局可能考慮的不夠周全，電磁噪聲較

41、大，采樣電路的限流器與電路板的接觸不好，電阻的精度不高等，并且測量儀表類型很多且精度不夠高，人為讀數(shù)存在誤差，測量的數(shù)據(jù)達(dá)不到理論計(jì)算值，但是我們通過多次測量去平均把誤差降低到最小。結(jié)論本設(shè)計(jì)采用更少的元件，更低成本實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓、均流、過流保護(hù)自恢復(fù)等功能，通過巧妙的模擬電路設(shè)計(jì)，在輸出電流相對誤差等方面達(dá)到了指標(biāo)要求，特別是70%以上的供電系統(tǒng)效率遠(yuǎn)超過了基本部分的指標(biāo)，設(shè)計(jì)中所選的器件均具有相當(dāng)高的性價(jià)比，如單片機(jī)STC12C5A32S2，LM2596等芯片，經(jīng)過幾次修改，本次設(shè)計(jì)的方案相對于以前的方案，更經(jīng)濟(jì)簡潔，實(shí)用性更強(qiáng)，并且精度穩(wěn)定性系統(tǒng)的效率等等都有所提高。由于本人水平有限，開關(guān)電

42、源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)還有一些不足，還有待進(jìn)一步完善，也可以進(jìn)行部分功能擴(kuò)展。在此提出一些我個(gè)人的建議： 1.系統(tǒng)利用的是單片機(jī)控制核心，由于受單片機(jī)類型的影響（如：運(yùn)速度等不夠）另外在PCB的布局上做改進(jìn)（考慮電磁兼容等），以減小系統(tǒng)誤差，也可以用DSP作為本系統(tǒng)的控制核心這樣對精度和穩(wěn)定度會(huì)有進(jìn)一步的提高。 2.可以改進(jìn)一下設(shè)計(jì)方案，通過改變負(fù)載來改變2路的電流以任意比例分配，這樣在功能上就有所改進(jìn)。 3.修改軟件程序，以實(shí)現(xiàn)可以任意設(shè)置過流保護(hù)的上限制，而不是單純的4.5A。 4.可以在電源模塊加上穩(wěn)壓部分，這樣會(huì)使系統(tǒng)更穩(wěn)定，以減小系統(tǒng)的誤差。參考文獻(xiàn)1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).

43、高等教育出版社,2006年2 江思敏，姚鵬翼.編著：PCB設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社,2010-103 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社,2002年4 Abraham l.Pressman .開關(guān)電源設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社,2005年5 李愛文. 現(xiàn)代通信基礎(chǔ)開關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì). 科學(xué)出版社,2001年6 高吉湘. 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)系列教程.電子工業(yè)出版社,2007年7（美）Sanjaya Maniktala 著，王志強(qiáng)等譯.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì).人民郵電,2008年09月 8（美）普利斯曼,莫瑞 著，王志強(qiáng) 等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社 2010-6-19 王水平

44、. 開關(guān)穩(wěn)壓電源原理設(shè)計(jì)及實(shí)用電路(修訂版).西安電子科技大學(xué)出版社; 第1版 (2005年10月1日)10 王志強(qiáng)等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)與優(yōu)化.電子工業(yè)出版社,2006-12-111 馬尼克塔拉(Sanjaya Maniktala) .開關(guān)電源故障診斷與排除.人民郵電出版社,2010-10-27 12 (英國)布朗 譯者：徐德鴻 .開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南(原書第2版).機(jī)械工業(yè)出版社,2008-9-0113 張占松主編. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)（修訂版）.電子工業(yè)出版社, 2004-09-0114 李智奇.超低功耗單片機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安電子科技大學(xué)出版社,200815 曹磊.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐.

45、北京航空航天大學(xué)出版社,200716 秦龍.單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講.電子工業(yè)出版社 ,200617 沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP43系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用 清華大學(xué)出版社,2004年18 張俊謨.單片機(jī)中級教程第二版.北京航空航天大學(xué)出版社, 200519 求是科技.C語言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐.北京: 人民郵電出版社, 200520 周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004:142-228致謝四年的大學(xué)生涯即將在這個(gè)季節(jié)劃上一個(gè)句號(hào)，而對于我的人生卻只是一個(gè)小小的逗號(hào)，這將是我面對又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在各位老師、親友的大力支持下，走

46、得有點(diǎn)辛苦卻也收獲滿豐。在我畢業(yè)論文即將完成之際，感慨萬千，心情久久不能平靜。偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的導(dǎo)師王老師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野廣闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。不僅在學(xué)習(xí)上影響了我，更在思想上也是我有所改變。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了我自己小小的目標(biāo)，學(xué)到了一些非常實(shí)用的思考方式以及設(shè)計(jì)方法，從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。

47、在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的老師、同學(xué)、朋友給了我很多的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！同時(shí)也感謝學(xué)校為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的老師和同學(xué)們，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。 附錄附錄一：原理圖附錄四：設(shè)計(jì)程序1、主函數(shù)：#include"ad.h"#include"lcd.h"#include"9x13.h"float current;uchar a1,a2,a3;uint m1;bit flag;/標(biāo)志位，默認(rèn)時(shí)工作在基本

48、狀態(tài)void main() uint i; lcd_init(); reley=0; reley1=0; disp(0x80,t1); ADC_P1_EN=0xff; led=1; while(1) key_scan();/選擇工作狀態(tài) current=get_adc_dat(2)/1024.0;current=4.94545*current;if(current>4.40) led=1; reley=1;/關(guān)斷2576，保護(hù)電路 for(i=0;i<10;i+) delayms(50000);/ else reley=0; / 打開2576，自啟動(dòng) if(flag=0) if(c

49、urrent>1.47&&current<1.53) reley1=1;/使模塊1工作在兩個(gè)采樣電阻狀態(tài) led=0; /ceshi delayms(10); else led=1; reley1=0; /使模塊2工作在一個(gè)采樣電阻狀態(tài)delayms(10);chu_li(); /可以調(diào)節(jié)兩個(gè)電源的分流比 /以下是顯示負(fù)載的采樣電流 m1=current*100; a1=current; a2=m1%100/10; a3=m1%10;write_com(0x84); write_da(a1+48); write_da('.'); write_da(a

50、2+48); write_da(a3+48); 2、 ad.h#include"stc12.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint get_adc_dat(uchar num) uchar adc_flag=0; uint dat; ADC_RES=0; ADC_RESL=0; ADC_CONTR=0xe8|num; while(adc_flag=0) adc_flag=ADC_CONTR&0x10; ADC_CONTR=ADC_CONTR&0xe7; dat=ADC_RES*4+

51、ADC_RESL; return(dat); 3、 lcd.hsbit cs=P20;sbit dat=P21;sbit clk=P22;sbit psb=P23;sbit ret=P24;sbit reley=P26;/控制兩個(gè)模塊的工作sbit reley1=P27;/切換電阻uchar *t="上電壓值:","下電壓值:","比值:"uchar code t1="電流值:"void delay(uint x) uint i,j; for(i=x;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);

52、 void send_byte(uchar da) uchar i; for(i=0;i<8;i+) if(da&0x80) dat=1;else dat=0;clk=0;clk=1;da=da<<1; void write_com(uchar command) cs=1; delay(5); send_byte(0xf8); send_byte(command&0xf0); send_byte(command<<4)&0xf0); cs=0; void write_da(uchar temp) cs=1; delay(5); send_b

53、yte(0xfa); send_byte(temp&0xf0); send_byte(temp<<4)&0xf0); cs=0; void lcd_init() psb=0; ret=1; write_com(0x30); delay(5); write_com(0x01); delay(5); write_com(0x06); delay(5); write_com(0x0c); delay(5); void disp(uchar x,uchar *str) uchar temp; temp=*str; write_com(x); while(temp!='

54、;0') write_da(temp);str+;temp=*str; 4、 9x13.hsbit fang_xiang1=P00;sbit inc1=P01;sbit cs1=P02;sbit fang_xiang2=P03;sbit inc2=P04;sbit cs2=P05;/以下所指的是模塊1電流sbit jia1=P32;/電流減?。ú竭M(jìn)稍?。┐藭r(shí)比例減小sbit jian1=P33;/電流增大 (步進(jìn)稍大）此時(shí)比例增大sbit jia2=P34;/電流減小 （步進(jìn)稍?。┐藭r(shí)比例增大sbit jian2=P35;/電流增大（步進(jìn)稍大） 此時(shí)比例增大bit flag;/標(biāo)志位，默認(rèn)時(shí)工