電子電路設(shè)計報告

PAGE1電子電路設(shè)計報告題目班級姓名學號2011年*月*日開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)【摘要】根據(jù)題目要求，使用IR9530芯片和“圖騰柱”電路，以MSP430F149單片機為核心控制器，輔以必要的模擬電路，設(shè)計開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)電流預置、電流檢測、電流控制、過流保護及自動恢復等功能。利用MSP430F149內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換器、通用運算放大器等器件形成閉環(huán)回路,在負載端分別進行電壓、電流采樣，在調(diào)整負載時，輸出電壓保持在8.00.4V，負載電流在1.0A-4.0A時，兩個模塊的輸出電路可在指定比例自動分配，每個模塊輸出的電流和相對誤差的絕對值不大于2%，供電系統(tǒng)的效率高于60%。當電流超過閾值4.5A，自動進行過流保護。【關(guān)鍵詞】IR9530；“圖騰柱”電路；MSP430F149單片機；開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

目錄TOC\o"1-3"\u開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng) 1開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題） 11方案設(shè)計與論證 11.1控制核心 11.2DC-DC主回路 11.3開關(guān)管驅(qū)動電路 22理論分析與計算 32.1DC/DC變換器穩(wěn)壓方式 32.2電流電壓檢測 32.3均流方法 32.4過流保護 32.5儲能電感L和電容C的選擇 43系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計 43.1系統(tǒng)硬件 43.2系統(tǒng)軟件設(shè)計 53.2.1主程序設(shè)計 53.2.2ADC中斷處理 64系統(tǒng)測試及結(jié)果 74.1測試儀器 74.2測試方法 84.3性能指標 85結(jié)論 8PAGE1PAGE9開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A題）1方案設(shè)計（只需要寫自己采用的方案，不用多個方案分析）任務要求設(shè)計并制作開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。在調(diào)整負載時，輸出電壓保持在8.00.4V，負載電流在1.0A-4.0A時，兩個模塊的輸出電路可在指定比例自動分配，每個模塊輸出的電流和相對誤差的絕對值不大于2%，供電系統(tǒng)的效率高于60%。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。圖1：并聯(lián)供電系統(tǒng)框圖1.1控制核心方案一：采用目前比較通用的89S52單片機。該單片機優(yōu)點是運算能力強，軟件編程靈活，自由度大。它能夠?qū)崿F(xiàn)外圍電路的智能控制，但作為核心控制部分使用時，如果要達到設(shè)計精度要求，外圍電路必須加上12位的A/D轉(zhuǎn)換器，這就使得整個系統(tǒng)硬件電路變得復雜。方案二：采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149單片機，它具有功能強，超低功耗特點。而且單片機工作有多種低功耗模式，當單片機處于低功耗模式時，喚醒只需6us。片內(nèi)有2個帶有大量捕捉/比較模塊16位定時器，每個模塊可以輸出16位PWM波；自帶12位A/D，使得外部擴展電路少。考慮到題目要求，對控制要求較高，選用方案二。1.2DC-DC主回路DC-DC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會造成效率的降低，而本題要求整機效率高，所以選擇非隔離方式，具體有以下幾種方案： 方案一：并聯(lián)開關(guān)電路形式。并聯(lián)開關(guān)電路如圖2所示。實際上此電路是在串聯(lián)開關(guān)電路后接入一個并聯(lián)開關(guān)電路。用電感的儲能特性來實現(xiàn)升降壓，電路控制復雜。圖2：并聯(lián)開關(guān)電路圖方案二：串聯(lián)開關(guān)電路形式。串聯(lián)開關(guān)電路如圖3所示。開關(guān)管VT1受占空比為D的PWM波的控制，交替導通或截止，再經(jīng)LC濾波器后在負載上得到穩(wěn)定直流輸出電壓。該電路屬于降壓型電路。由于本題只需降壓，故選擇方案二。圖3：串聯(lián)開關(guān)電路圖1.3開關(guān)管驅(qū)動電路方案一：采用常用的“圖騰柱”電路。圖騰柱式的驅(qū)動方式，一方面增加了驅(qū)動能力，另一方面，當PWM的輸出端為低的時候，下管為MOS的結(jié)電容提供放電回路。該電路的特點是輸出阻抗低，PWM驅(qū)動波形陡峭，MOSFET的開關(guān)損耗小，而其僅需少量的分立元件即可實現(xiàn)。方案二：IR2101是專門為驅(qū)動半橋逆變器中同臂的兩個MOSFEI而設(shè)計的高壓、高速驅(qū)動器。IR2101采用先進的高壓集成電路技術(shù)使其封裝在標準的雙列直插外殼中；其輸入與COMS與LSTIL電容兼容；較大的脈沖電流緩沖驅(qū)動輸出級設(shè)計，使高低端的交叉導通的可能性降到最??；而懸浮通道技術(shù)可實現(xiàn)自舉工作，且工作母線電壓可以達600V以上。綜合以上方案優(yōu)缺點，采用方案一。2理論分析與計算2.1DC/DC變換器穩(wěn)壓方式DC/DC采用較為普遍的PWM控制方式。通過改變PWM波的占空比來控制開關(guān)的導通時間，從而輸出不同的電壓。用430單片機內(nèi)部定時器B的8M赫茲晶振產(chǎn)生30K赫茲的PWM信號，經(jīng)過計算每個PWM周期有266份，已經(jīng)足夠用于精準調(diào)整PWM占空比，從而實現(xiàn)高精度的PWM控制,保持脈沖周期不變，通過430單片機通過內(nèi)置A/D對電路采樣比較，來改變兩路開關(guān)的導通時間，即脈沖的占空比，以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。2.2電流電壓檢測對負載上的電壓進行采樣，通過單片機控制PWM波的占空比，使每一路DC/DC穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定電壓。由于單片機的最大采樣電壓為2.5V，無法檢測到8V電壓，因此在輸出端并聯(lián)兩個大電阻，以分壓的方式檢測輸出電壓，從而控制并穩(wěn)定輸出電壓在8V。給負載串聯(lián)一個小電阻，通過對其兩端電壓的測量，檢測其電流，從而控制兩條支路的電流比例。2.3均流方法電源并聯(lián)擴容的基本要求，在電源并聯(lián)后，每個電壓模塊的輸出電流應該按照設(shè)置自動分配實現(xiàn)均流。本系統(tǒng)通過與負載并聯(lián)一個大電阻后，通過對并聯(lián)電阻電壓檢測，經(jīng)過A/D變換，與標準8.0V對應的PWM波占空比進行比較，系統(tǒng)通過兩路PWM波自動調(diào)節(jié)，按照設(shè)置分配實現(xiàn)均流。2.4過流保護DC/DC變換器實際上是一種負反饋系統(tǒng)，它通過取樣輸出誤差信號，經(jīng)過反饋控制電路處理，輸出占空比可變的脈沖信號，來控制功率通道的導通時間，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。過流是指輸出電流大于標稱輸出電流。過流時，DC/DC變換器內(nèi)部反饋處于閉環(huán)受控狀態(tài)，過流工作是一種負載異常狀態(tài)；短路是指輸出電流遠大于標稱輸出電流，短路時，DC/DC變換器內(nèi)部反饋處于開環(huán)不受控狀態(tài)，短路工作是一種負載異常極端狀態(tài)。MCU閉環(huán)控制保護，在電路輸出端串聯(lián)一個阻值很小的采樣電阻，將從負載中采得的電流經(jīng)過A/D變換，變換后的值送往MCU做比較，超過正常要求的電流值，輸出PWM波的占空比為100%，關(guān)斷電源供電，從而達到過流保護的目的。2.5儲能電感L和電容C的選擇擬采用開關(guān)頻率為F=30KHZ。開關(guān)的周期T=1/F=1/30KHZ=33us。理論占空比D=Uo/UI=8V/24V≈0.33us。一個周期內(nèi)處在12V電壓的時間Ton=DT=0.33*33us=11us。根據(jù)臨界條件：選110uH的電感。考慮紋波及體積的因素，我們選擇470uF的電容。3系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件整個系統(tǒng)硬件主要包括：驅(qū)動模塊和兩個DC/DC并聯(lián)模塊。分別如圖4，圖5。圖4：驅(qū)動模塊電路原理圖3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)的任務主要有A/D轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生PWM波、步進加減、鍵盤掃描、電流預置、電流檢測、電流控制、液晶顯示、報警等功能。為了將所有任務有序的組織起來，軟件系統(tǒng)采用前后臺結(jié)構(gòu)。圖5：雙DCDC并聯(lián)模塊3.2.1主程序設(shè)計系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括系統(tǒng)時鐘初始化，I/O口初始化，中斷系統(tǒng)和定時器/計數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)變量賦初值等工作；完成系統(tǒng)初始化后打開總中斷（包括AD中斷和按鍵中斷）。主程序流程圖如圖6所示。開始開始系統(tǒng)初始化使能中斷等待圖6：主程序框圖3.2.2ADC中斷處理ADC中斷程序主要是讀取從外部進來的ADC變化值，ADC校正，電流計算并控制PWM波的占空比，以及空載檢查等功能。MSP430F149內(nèi)部的AD變換器將采樣電阻上的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)量，將其換算成電流后與預置值比較，根據(jù)兩者間的差值調(diào)整輸出PWM波的占空比大小。最后將反饋回來的信號轉(zhuǎn)換的電流值傳送到LCD。ADC中斷流程圖如圖7所示。ＹＹ中斷入口讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果AD值為零？計算電流控制兩路PWM更新顯示過流？置過流標志關(guān)ＰＷＭ清過流標志開ＰＷＭ電流正常？中斷返回空載報警置空載標志輸出10%PWMNYＮＮＹ圖7：中斷程序框圖4系統(tǒng)測試及結(jié)果4.1測試儀器表1：測試儀器儀器名稱型號規(guī)格數(shù)字萬用表DT-9208A+RIGOL雙蹤示波器DS1062C60MHz400Msa/sRIGOL函數(shù)信號發(fā)生器20MHz100Msa/s直流穩(wěn)壓器DF1731SLL3A直流電阻器ZX364.2測試方法用自制的電源為本系統(tǒng)所有設(shè)備供電，通過調(diào)節(jié)電阻箱來精確控制阻值的輸入，根據(jù)題目要求改變阻值來測量數(shù)據(jù)，再用示波器、萬用表測試，記錄數(shù)據(jù)。4.3性能指標測試項測試條件:=1:124V8.33V0.48A1A0.49A0.51A72.3%:=1:224V8.21V0.81A1.0.52A1.1A67.3%:=3:524V8.27V1.17A2.13A0.82A1.31A62.3%:=1:224V7.99V1.55A2.96A1.04A1.92A63.6%:=3:424V8.01V1.813.47A1.43A2.04A64.0%:=1:124V8.14V2,17A4A2．031.9762.5%由測試數(shù)據(jù)可以看出，輸出電流可以控制在1A～4.5A之間，并可以按照給定比例完成調(diào)節(jié)，效率大于60%。另外發(fā)揮部分電壓在1.5A～3.5A內(nèi)，可以任意設(shè)置比例完成調(diào)節(jié)。負載電壓穩(wěn)定在8.00.4V，每個模塊輸出的電流和相對誤差的絕對值不大于2%，供電系統(tǒng)的效率高于5結(jié)論由于使用MSP430F149單片機作為中央控制器，本系統(tǒng)有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單的特點。本系統(tǒng)最小可進步，精度也比較高，輸出電流范圍較寬。由于本系統(tǒng)對精度的要求較高，硬件部分中采樣電阻的熱穩(wěn)定性較好。硬件中的核心模塊為開關(guān)電源，其核心元件采用P溝道場效應管，其性能較好、穩(wěn)定性較高。軟件中又加入了閉環(huán)自動校正功能，進一步達到精度的要求。總之，本系統(tǒng)精度高，性價比高，智能化程度高，達到了設(shè)計要求。

參考文獻[1]譚博