開關(guān)電源并聯(lián)供電

1、題目: 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 目 錄摘要：1一、系統(tǒng)方案1DC/DC模塊主電路22. 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路23. 輔助電源電路24. 系統(tǒng)總體方案2二、理論分析與計(jì)算31. DC/DC變換器穩(wěn)壓方法32. 電流、電壓檢測(cè)53. 均流方法54. 過流保護(hù)5三、硬件電路與軟件設(shè)計(jì)51. 硬件電路設(shè)計(jì)52. 軟件設(shè)計(jì)7四、測(cè)試條件與結(jié)果91測(cè)試儀器設(shè)備92基本要求測(cè)試數(shù)據(jù)93發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù)104、結(jié)果分析11五、參考文獻(xiàn)11開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)摘要：本設(shè)計(jì)以Atmage16L-8PU單片機(jī)為控制器，由DC/DC模塊電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路、電流采樣電路、單片機(jī)電路、鍵盤電路和顯示電路組

2、成。其中，DC/DC模塊采用BUCK電路實(shí)現(xiàn)，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路采用IR2110芯片完成，輔助電源由單片開關(guān)電源芯片LM2576產(chǎn)生，并增加后置線性穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能，穩(wěn)定輸出電壓，并實(shí)現(xiàn)兩路電源自動(dòng)或按指定比例分流。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到題目要求。Abstract: In the design, MCU Atmage16L-8PU is used as a controller. The system is composed of DC/DC modules, switch drive circuits, auxiliary power suppliers, curren

3、t and voltage detection circuits, MCU system, display and keyboard control circuits. DC/DC module is based on BUCK circuit. Switch MOSFET is drived by IR2110 chips. Auxiliary power suppliers are generated by the switch mode power supply chip LM2576 with a linear post regulator. Closed-loop control i

4、s realized by MCU, so the output voltage is stabled and the currents of the two DC/DC modules are decided automatically or by the specified proportion. Test results show that the system has definitely met the design demand.一、系統(tǒng)方案 1DC/DC模塊主電路方案一：采用反激式變換器。反激式變換器適合小功率輸出，輸入電壓大范圍波動(dòng)時(shí)，仍可有較穩(wěn)定的輸出，并且可以實(shí)現(xiàn)帶隔離的D

5、C/DC變換，但其反激式變壓器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且整體效率較低。方案二：采用BUCK變換器。BUCK是一種降壓斬波電路，該拓?fù)湫矢?，電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。綜合比較，電壓有24V變換到8V，為降壓模式，且不要求隔離功能，為提高系統(tǒng)的效率，且方便電路的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用方案二。 2. 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路方案一：由開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路芯片GT3525產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過單片機(jī)控制GT3525芯片的基準(zhǔn)電壓調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，從而控制主電路的輸出。方案二：由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)過IR2110芯片進(jìn)行電平變換后，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。通過檢測(cè)輸出電壓和電流，由單片機(jī)直接調(diào)整PWM信號(hào)的脈寬，從而調(diào)整

6、主電路的輸出。方案二省去了開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路芯片，通過單片機(jī)直接控制脈寬，設(shè)計(jì)靈活，控制簡(jiǎn)單。綜合考慮，選擇方案二。3. 輔助電源電路輔助電源用于給單片機(jī)電路和驅(qū)動(dòng)電路供電，需要+5V和+15V兩路電源。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+15V，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LM2576的降壓電路方案。此方案每路電源只能有一路輸出，因此要同時(shí)提供+5V和+15V，需要兩路輔助電源電路。但基于LM2576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(jiǎn)單，調(diào)試方便。綜合考慮，選擇方案二。4. 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案

7、，包括DC/DC模塊主電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路、電流采樣電路、電壓采樣電路、單片機(jī)電路、鍵盤電路和顯示電路，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖 1 系統(tǒng)總體框圖二、理論分析與計(jì)算1. DC/DC變換器穩(wěn)壓方法 DC/DC變換器采用BUCK電路結(jié)構(gòu)，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和穩(wěn)流功能，電路如圖2所示。電路主要由功率開關(guān)管、輸出整流二極管和濾波電路等組成。圖2 DC/DC主電路DC/DC變換器輸入電壓為24VDC，輸出為8VDC。我們選擇占空比為0.5，根據(jù)反激電路工作原理，開關(guān)管兩端最大電壓為。我們選擇功率開關(guān)MOS管IXTH200N10T，該MOS管耐壓為100V，

8、電流為200A，導(dǎo)通電阻只有5.5m，耐壓值留有足夠的余量，而且由于導(dǎo)通電阻小，能有效的減小損耗。由于反激電路在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，會(huì)損壞開關(guān)管，因此需要在變壓器原邊增加鉗位電路。我們選擇RCD鉗位電路，選擇電阻為2.2k/2w，二極管型號(hào)為MUR1100，電容為300pF，鉗位效果良好。為提高效率，減少干擾，我們選擇整流二極管為超快恢復(fù)整流二極管MBR1060，平均整流電流為10A，反向擊穿電壓為60V，反向電流的恢復(fù)時(shí)間非常短，滿足本設(shè)計(jì)要求。反激電路通常使用由一個(gè)二極管和一個(gè)電容組成的半波整流濾波電路。本設(shè)計(jì)中負(fù)載電流最高可達(dá)2A，常規(guī)的半波整流會(huì)產(chǎn)生很大的電流紋波，給電流檢

9、測(cè)和控制帶來困難。我們選擇兩個(gè)電容和一個(gè)電感構(gòu)成的型濾波電路，使輸出電壓紋波和電容紋波均較小。濾波電容均選擇2200H/50V的電解電容，電感選擇自行繞制的1mH/3A電感。主變壓器是反激電路最關(guān)鍵的器件，設(shè)計(jì)如下：參考現(xiàn)有的磁芯規(guī)格，選擇磁芯有效截面積=132，所選磁芯飽和磁通密度。本系統(tǒng)選擇開關(guān)電源工作頻率f=10kHz，頻率較低，單片機(jī)較容易實(shí)現(xiàn)，并可減小損耗?？偣β剩?=30W峰值電流： A電感量： 原邊匝數(shù)： 取30。副邊匝數(shù)： 線徑選擇： =10kHz，趨膚深度為減小電路損耗，應(yīng)盡量選擇直徑大的漆包線繞制。但考慮到趨膚效應(yīng)問題，應(yīng)該選擇線徑不大于趨膚深度的線。本設(shè)計(jì)中，我們選擇直徑

10、為0.50mm的雙股漆包線繞制，既能減小損耗，又消除趨膚效應(yīng)的影響。根據(jù)參數(shù)制作變壓器，測(cè)量得到實(shí)際原邊電感 2.58mH ，適當(dāng)增加氣隙，使原邊電感為220uH，滿足設(shè)計(jì)要求。 2. 電流、電壓檢測(cè)電流采樣的方法有兩種：一種是使用康銅絲。將康銅絲串入輸出回路，輸出電流將在康銅絲上形成壓降然后做差分放大處理。該方案簡(jiǎn)單，但存在不足?？点~絲的實(shí)際電阻不易準(zhǔn)確測(cè)量而且由于測(cè)量電路和功率電路沒有隔離，必然引入噪聲。本設(shè)計(jì)采用霍爾電流傳感器對(duì)電流進(jìn)行采樣?；魻杺鞲衅鰽CS712是一款將小電流信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換為較大電壓測(cè)量的高精度隔離測(cè)流芯片，其內(nèi)部還集成了濾波放大器件，使測(cè)量精度大大提高。單片機(jī)根據(jù)采樣的

11、電壓值計(jì)算出兩路DC/DC模塊的電流和，并根據(jù)計(jì)算總電流。電壓的采樣是通過電阻分壓，直接從輸出取樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)取樣電壓值和分壓比可計(jì)算出輸出電壓值。3. 均流方法 本系統(tǒng)在通電后首先給負(fù)載兩端提供穩(wěn)定電壓，然后通過單片機(jī)分別調(diào)整兩路DC/DC主電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬，來調(diào)整各自的電流I1和I2，實(shí)現(xiàn)電流按比例分配。通過同時(shí)調(diào)整兩路DC/DC模塊的占空比來調(diào)整總的負(fù)載電流Io。4. 過流保護(hù)當(dāng)I1和I2有任意一路大于2.5A時(shí)，或者總電流Io大于4.5A時(shí)，電路進(jìn)行過流保護(hù)，單片機(jī)關(guān)閉PWM信號(hào)輸出，關(guān)斷輸出電壓，并通過蜂鳴器報(bào)警。延時(shí)5秒后再次開通電源，如果仍然過流，則再此關(guān)閉電源。

12、如果不過流，電路正常工作，過流保護(hù)恢復(fù)。三、硬件電路與軟件設(shè)計(jì)1. 硬件電路設(shè)計(jì)（1）DC/DC主電路系統(tǒng)中兩路DC/DC模塊采用BUCK電路，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)直接輸出，驅(qū)動(dòng)電路比較容易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)PWM信號(hào)頻率為15.6KHz，頻率較低，開關(guān)耗損小，效率較高。DC/DC主電路如圖2所示。（2）輔助電源電路本系統(tǒng)通過單片開關(guān)電源LM2576的降壓電路來實(shí)現(xiàn)，使用兩路輔助電源分別提供+5V供單片機(jī)工作和+15供驅(qū)動(dòng)電路工作。LM2576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(jiǎn)單，調(diào)試方便。輔助電源電路如圖3所示。圖3 輔助電源電路(3）測(cè)控電路測(cè)控電路

13、是以AVR單片機(jī)Atmage16L-8PU為核心的控制電路，如圖4所示。電流檢測(cè)利用ACS712實(shí)現(xiàn)，由A/D采樣其輸出電壓并計(jì)算出電流、，根據(jù)計(jì)算；當(dāng)<1A時(shí)，按1：1自動(dòng)分配；當(dāng)（1，1.5）時(shí)，按1：2自動(dòng)分配；當(dāng) (1.5，3.5)時(shí)，在（0.5，2）范圍內(nèi)按指定比例自動(dòng)分配；當(dāng)=4.0A時(shí)，按1：1自動(dòng)分配。輸出電壓的檢測(cè)同樣是利用電阻分壓，由A/D采樣輸出電壓值，根據(jù)分壓比計(jì)算。電源電路的三路采樣都反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)要求做出調(diào)整，從而形成了一個(gè)閉環(huán)回路，使穩(wěn)定在8V。圖4 單片機(jī)系統(tǒng)2. 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)Atmage16L-8PU實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)軟件編程

14、采用模塊化設(shè)計(jì)，分為四個(gè)子程序PWM產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示和鍵盤控制。它們所實(shí)現(xiàn)的功能分別為：PWM是利用單片機(jī)的定時(shí)器T1比較匹配中斷產(chǎn)生，采用快速PWM模式，T1的計(jì)數(shù)最大值由輸入捕捉寄存器的值決定，根據(jù)電路需要產(chǎn)生15.6KHz的PWM信號(hào)。由于T1有兩個(gè)比較匹配寄存器，可以同時(shí)產(chǎn)生兩路比較匹配輸出，因此只用T1即能產(chǎn)生兩路PWM輸出。由于ATmega16L自帶了一個(gè)10位8通道的A/D轉(zhuǎn)換器，因此不用外擴(kuò)電路即能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中要求的兩路電流和一路電壓采樣。液晶顯示采用12864液晶屏，主要用來顯示電流比、輸出電壓和兩路電流。鍵盤控制部分主要實(shí)現(xiàn)電流任意比的輸入?？刂齐娐废到y(tǒng)軟件流程圖如

15、圖5所示。圖5系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)軟件主函數(shù)的設(shè)計(jì)思想如下：系統(tǒng)初始化；分別對(duì)三個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣；根據(jù)采樣值計(jì)算出I1、I2、Uo的值然后進(jìn)行占空比的調(diào)整：首先判斷Uo是否在7.93V8.08V之間，若是則根據(jù)總電流Io（Io= I1+I2）的大小，計(jì)算I1、I2依照題意所給比例（或者手動(dòng)輸入比例）分流后的理論值，判斷I1、I2是否在各自理論值允許的范圍內(nèi)，然后對(duì)兩路信號(hào)的占空比分別作相應(yīng)的調(diào)整；否則同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)的占空比作相應(yīng)調(diào)整。循環(huán)執(zhí)行2、3操作。 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)：首先判斷是否過流，是則關(guān)閉定時(shí)器并將PWM輸出變?yōu)榈碗娖?，延時(shí)2秒鐘，重新啟動(dòng)定時(shí)器產(chǎn)生PWM。否則，根據(jù)主函數(shù)的結(jié)果，改變

16、匹配值，調(diào)整占空比。四、測(cè)試條件與結(jié)果1測(cè)試儀器設(shè)備系統(tǒng)測(cè)試所用儀器設(shè)備如表1所示。表1 儀器設(shè)備儀器設(shè)備型號(hào)數(shù)量30MHz雙蹤模擬示波器GOS-630FC1萬(wàn)用表FLUKE17B3直流穩(wěn)壓電源DF1731SL3ATS12基本要求測(cè)試數(shù)據(jù)（1）額定功率條件下測(cè)試結(jié)果UIN=23.70V，IIN=2.291A，UO=7.98V，RL=1.95，IO=4.09A計(jì)算得到效率= 60.11%（2）調(diào)整負(fù)載電阻下測(cè)試結(jié)果如表2所示。表2 基本部分各項(xiàng)指標(biāo)（A）（V）要求值（A）要求值（A）測(cè)試值（A）測(cè)試值（A）相對(duì)誤差（%）相對(duì)誤差（%）0.9958.120.4970.4970.4920.5031.

17、01.21.5288.010.5091.0180.5241.0402.92.2從以上結(jié)果看，測(cè)試基本部分均滿足指標(biāo)要求。輸出總電流在1A和1.5A時(shí)，兩路電流都能按照1:1和1:2的比例分配，且相對(duì)誤差控制在3%以內(nèi)，優(yōu)于指標(biāo)要求，且輸出電壓指標(biāo)一直滿足要求。3發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù)（1）調(diào)整負(fù)載電阻進(jìn)行電流測(cè)試，結(jié)果如表3所示。表3 發(fā)揮部分各項(xiàng)指標(biāo)（A）（V）要求值（A）要求值（A）測(cè)試值（A）測(cè)試值（A）相對(duì)誤差（%）相對(duì)誤差（%）2.0012：17.951.3340.6671.3300.6710.290.602.0501：17.941.0251.0251.0201.030.490.482.0

18、411：27.940.6801.3610.6321.417.063.602.3632：18.0501.5750.7881.5230.843.306.602.3971：18.0201.1991.1991.1971.200.080.082.3941：27.9700.7981.5960.7641.634.262.133.52：17.9802.3331.1671：17.9201.7501.7501：27.9901.1672.3334.01：18.0102.0002.000從以上結(jié)果看，總電流在1.5A3.5A變化時(shí)，可以通過鍵盤輸入任意電流比，兩路電流按比例自動(dòng)分配，電流相對(duì)誤差均控制在2%以內(nèi)，滿足發(fā)揮部分要求。（2）過流保護(hù)測(cè)試減小負(fù)載電阻，當(dāng)負(fù)載電流大于4.5A時(shí)保護(hù)電路動(dòng)作，輸出電壓為0，蜂鳴器報(bào)警，延時(shí)2秒后重新啟動(dòng)，若仍過流