开关电源并联供电.doc

题目 开关电源模块并联供电系统 目 录 摘要 1 一 系统方案 1 DC DC 模块主电路 2 2 开关管驱动电路 2 3 辅助电源电路 2 4 系统总体方案 2 二 理论分析与计算 3 1 DC DC 变换器稳压方法 3 2 电流 电压检测 5 3 均流方法 5 4 过流保护 5 三 硬件电路与软件设计 5 1 硬件电路设计 5 2 软件设计 7 四 测试条件与结果 9 1 测试仪器设备 9 2 基本要求测试数据 9 3 发挥部分测试数据 10 4 结果分析 11 五 参考文献 11 开 关 电 源 模 块 并 联 供 电 系 统 摘要 本设计以 Atmage16L 8PU 单片机为控制器 由 DC DC 模块电路 开关管驱动 电路 辅助电源电路 电流采样电路 单片机电路 键盘电路和显示电路组成 其中 DC DC 模块采用 BUCK 电路实现 开关管驱动电路采用 IR2110 芯片完成 辅助电源由单 片开关电源芯片 LM2576 产生 并增加后置线性稳压环节 单片机实现闭环控制功能 稳 定输出电压 并实现两路电源自动或按指定比例分流 测试结果表明 系统各项指标均达 到题目要求 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 current 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 is 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 系统方案 1 DC DC 模块主电路 方案一 采用反激式变换器 反激式变换器适合小功率输出 输入电压大范围波动时 仍可有较稳定的输出 并且可以实现带隔离的 DC DC 变换 但其反激式变压器设计比较复 杂 且整体效率较低 方案二 采用 BUCK 变换器 BUCK 是一种降压斩波电路 该拓扑效率高 电路结构 结构简单 参数设计也比较简单 综合比较 电压有 24V 变换到 8V 为降压模式 且不要求隔离功能 为提高系统的效 率 且方便电路的设计 本设计采用方案二 2 开关管驱动电路 方案一 由开关电源驱动电路芯片 GT3525 产生驱动信号 通过单片机控制 GT3525 芯 片的基准电压调整 PWM 信号的占空比 从而控制主电路的输出 方案二 由单片机直接产生 PWM 信号 经过 IR2110 芯片进行电平变换后 驱动开关 管 通过检测输出电压和电流 由单片机直接调整 PWM 信号的脉宽 从而调整主电路的 输出 方案二省去了开关电源驱动电路芯片 通过单片机直接控制脉宽 设计灵活 控制简 单 综合考虑 选择方案二 3 辅助电源电路 辅助电源用于给单片机电路和驱动电路供电 需要 5V 和 15V 两路电源 方案一 采用反激电路实现 一路反激电路可以同时输出 5V 和 15V 但反激电路结 构复杂 需要变压器 效率较低 方案二 基于单片开关电源 LM2576 的降压电路方案 此方案每路电源只能有一路输 出 因此要同时提供 5V 和 15V 需要两路辅助电源电路 但基于 LM2576 的降压电路外 围器件很少 无需变压器和独立的开关管驱动电路 结构非常简单 调试方便 综合考虑 选择方案二 4 系统总体方案 系统总体方案 包括 DC DC 模块主电路 开关管驱动电路 辅助电源电路 电流采样 电路 电压采样电路 单片机电路 键盘电路和显示电路 系统总体框图如图 1 所示 辅 助 电 源 电 路 D C D C 模 块 反 激 电 路 A T m e g a 3 2 单 片 机 D C D C 模 块 反 激 电 路 开 关 管 驱 动 电 路 液 晶 显 示 键 盘 电 路 电 流 采 样 电 路 电 流 采 样 电 路 1 2 V 5 V 负 载 电 压 采 样 P W M 2 4 V U o 8 V 图 1 系统总体框图 二 理论分析与计算 1 DC DC 变换器稳压方法 DC DC 变换器采用 BUCK 电路结构 由单片机产生 PWM 信号驱动功率开关管 从 而实现稳压和稳流功能 电路如图 2 所示 电路主要由功率开关管 输出整流二极管和滤 波电路等组成 Q1IXTH20N R kDMUCpB6uF3LmVG 图 2 DC DC 主电路 DC DC 变换器输入电压为 24VDC 输出为 8VDC 我们选择占空比为 0 5 根据反激 电路工作原理 开关管两端最大电压为 我们选择功率开关VDV485 012inQ MOS 管 IXTH200N10T 该 MOS 管耐压为 100V 电流为 200A 导通电阻只有 5 5m 耐 压值留有足够的余量 而且由于导通电阻小 能有效的减小损耗 由于反激电路在开关管关断时产生很大的电压尖峰 会损坏开关管 因此需要在变压 器原边增加钳位电路 我们选择 RCD 钳位电路 选择电阻为 2 2k 2 w 二极管型号为 MUR1100 电容为 300pF 钳位效果良好 为提高效率 减少干扰 我们选择整流二极管为超快恢复整流二极管 MBR1060 平均 整流电流为 10A 反向击穿电压为 60V 反向电流的恢复时间非常短 满足本设计要求 反激电路通常使用由一个二极管和一个电容组成的半波整流滤波电路 本设计中负载 电流最高可达 2A 常规的半波整流会产生很大的电流纹波 给电流检测和控制带来困难 我们选择两个电容和一个电感构成的 型滤波电路 使输出电压纹波和电容纹波均较小 滤波电容均选择 2200 H 50V 的电解电容 电感选择自行绕制的 1mH 3A 电感 主变压器是反激电路最关键的器件 设计如下 参考现有的磁芯规格 选择磁芯有效截面积 132 所选磁芯饱和磁通密度eA2m 本系统选择开关电源工作频率 f 10kHz 频率较低 单片机较容易实现 并可0 3sBT 减小损耗 总功率 30WeP 峰值电流 Aepin23054 IUD 电感量 ip421LuHIf 原边匝数 取 30 op64se80 53 3NBAf 副边匝数 posin 11 025UD 线径选择 10kHz 趋肤深度f 47 721mf 为减小电路损耗 应尽量选择直径大的漆包线绕制 但考虑到趋肤效应问题 应该选 择线径不大于趋肤深度的线 本设计中 我们选择直径为 0 50mm 的双股漆包线绕制 既 能减小损耗 又消除趋肤效应的影响 根据参数制作变压器 测量得到实际原边电感 2 58mH 适当增加气隙 使原边电感 为 220uH 满足设计要求 2 电流 电压检测 电流采样的方法有两种 一种是使用康铜丝 将康铜丝串入输出回路 输出电流将在 康铜丝上形成压降然后做差分放大处理 该方案简单 但存在不足 康铜丝的实际电阻不 易准确测量而且由于测量电路和功率电路没有隔离 必然引入噪声 本设计采用霍尔电流 传感器对电流进行采样 霍尔传感器 ACS712 是一款将小电流信号测量转换为较大电压测 量的高精度隔离测流芯片 其内部还集成了滤波放大器件 使测量精度大大提高 单片机 根据采样的电压值计算出两路 DC DC 模块的电流 和 并根据 计算总电流 1I2o12I oI 电压的采样是通过电阻分压 直接从输出取样 然后进行 A D 转换 根据取样电压值 和分压比可计算出输出电压值 oU 3 均流方法 本系统在通电后首先给负载两端提供稳定电压 然后通过单片机分别调整两路 DC DC 主电路驱动信号的脉宽 来调整各自的电流 I1 和 I2 实现电流按比例分配 通过同时调整 两路 DC DC 模块的占空比来调整总的负载电流 Io 4 过流保护 当 I1 和 I2 有任意一路大于 2 5A 时 或者总电流 Io 大于 4 5A 时 电路进行过流保护 单片机关闭 PWM 信号输出 关断输出电压 并通过蜂鸣器报警 延时 5 秒后再次开通电 源 如果仍然过流 则再此关闭电源 如果不过流 电路正常工作 过流保护恢复 三 硬件电路与软件设计 1 硬件电路设计 1 DC DC 主电路 系统中两路 DC DC 模块采用 BUCK 电路 结构比较简单 驱动信号由单片机直接输 出 驱动电路比较容易实现 系统设计 PWM 信号频率为 15 6KHz 频率较低 开关耗损 小 效率较高 DC DC 主电路如图 2 所示 2 辅助电源电路 本系统通过单片开关电源 LM2576 的降压电路来实现 使用两路辅助电源分别提供 5V 供单片机工作和 15 供驱动电路工作 LM2576 的降压电路外围器件很少 无需变压器 和独立的开关管驱动电路 结构非常简单 调试方便 辅助电源电路如图 3 所示 图 3 辅助电源电路 3 测控电路 测控电路是以 AVR 单片机 Atmage16L 8PU 为核心的控制电路 如图 4 所示 电流检 测利用 ACS712 实现 由 A D 采样其输出电压并计算出电流 根据 计算 1I2o12I oI 当 1A 时 按 1 1 自动分配 oI12I 当 1 1 5 时 按 1 2 自动分配 I 当 1 5 3 5 时 在 0 5 2 范围内按指定比例自动分配 oI1 当 4 0A 时 按 1 1 自动分配 2I 输出电压的检测同样是利用电阻分压 由 A D 采样输出电压值 根据分压比计算 oU 电源电路的三路采样都反馈给单片机 由单片机根据要求做出调整 从而形成了一个闭环 回路 使 稳定在 8V oU 图 4 单片机系统 2 软件设计 系统采用 AVR 单片机 Atmage16L 8PU 实现闭环控制 系统软件编程采用模块化设计 分为四个子程序 PWM 产生 A D 转换 液晶显示和键盘控制 它们所实现的功能分别 为 PWM 是利用单片机的定时器 T1 比较匹配中断产生 采用快速 PWM 模式 T 1 的计 数最大值由输入捕捉寄存器的值决定 根据电路需要产生 15 6KHz 的 PWM 信号 由于 T1 有两个比较匹配寄存器 可以同时产生两路比较匹配输出 因此只用 T1 即能产生两路 PWM 输出 由于 ATmega16L 自带了一个 10 位 8 通道的 A D 转换器 因此不用外扩电 路即能实现系统中要求的两路电流和一路电压采样 液晶显示采用 12864 液晶屏 主要 用来显示电流比 输出电压和两路电流 键盘控制部分主要实现电流任意比的输入 控制电路系统软件流程图如图 5 所示 初 始 化 调 整 P W M 占 空 比 稳 定 输 出 电 压 7 8 V U o 4 5 A 根 据 比 例 关 系 调 整 两 路 P W M 占 空 比 分 配 电 流 A D 采 样 N N Y 关 闭 P W M 输 出 Y 延 时 2 秒 重 启 定 时 器 开 始 图 5 系统程序流程图 系统软件主函数的设计思想如下 系统初始化 分别对三个采样点进行采样 根据采样值计算出 I1 I 2 U o 的值然后进行占空比的调整 首先判断 Uo 是否在 7 93V 8 08V 之间 若是则根据总电流 Io I o I1 I2 的大小 计 算 I1 I2 依照题意所给比例 或者手动输入比例 分流后的理论值 判断 I1 I 2 是否在各自 理论值允许的范围内 然后对两路信号的占空比分别作相应的调整 否则同时对两路信号 的占空比作相应调整 循环执行 2 3 操作 中断服务程序设计 首先判断是否过流 是则关闭定时器并将 PWM 输出变为低电平 延时 2 秒钟 重新 启动定时器产生 PWM 否则 根据主函数的结果 改变匹配值 调整占空比 四 测试条件与结果 1 测试仪器设备 系统测试所用仪器设备如表 1 所示 表 1 仪器设备 仪器设备 型号 数量 30MHz 双踪模拟示波器 GOS 630FC 1 万用表 FLUKE17B 3 直流稳压电源 DF1731SL3ATS 1 2 基本要求测试数据 1 额定功率条件下测试结果 UIN 23 70V I IN 2 291A U O 7 98V R L 1 95 I O 4 09A 计算得到效率 60 11 2 调整负载电阻下测试结果如表 2 所示 表 2 基本部分各项指标 oI A oU V 要求1I 值 A 要求I 值 A 测试1I 值 A 测试2I 值 A 相对1I 误差 相对2I 误差 0 995 8 12 0 497 0 497 0 492 0 503 1 0 1 2 1 528 8 01 0 509 1 018 0 524 1 040 2 9 2 2 从以上结果看 测试基本部分均满足指标要求 输出总电流在 1A 和 1 5A 时 两路电 流都能按照 1 1 和 1 2 的比例分配 且相对误差控制在 3 以内 优于指标要求 且输出电 压指标一直满足要求 3 发挥部分测试数据 1 调整负载电阻进行电流测试 结果如表 3 所示 表 3 发挥部分各项指标oI A 12I oU V 要1I 求值 A 要2I 求值 A 测1I 试值 A 测2I 试值 A 相1I 对误差 相对2 误差 2 001 2 1 7 95 1 334 0 667 1 330 0 671 0 29 0 60 2 050 1 1 7 94 1 025 1 025 1 020 1 03 0 49 0 48 2 041 1 2 7 94 0 680 1 361 0 632 1 41 7 06 3 60 2 363 2 1 8 050 1 575 0 788 1 523 0 84 3 30 6 60 2 397 1 1 8 020 1 199 1 199 1 197 1 20 0 08 0 08 2 394 1 2 7 970 0 798 1 596 0 764 1 63 4 26 2 13 2 1 7 980 2 333 1 167 1 1 7 920 1 750 1 7503 5 1 2 7 990 1 167 2 333 4 0 1 1 8 010 2 000 2 000 从以上结果看 总电流在 1 5A 3 5A 变化时 可以通过键盘输入任意电流比 两路电 流按比例自动分配 电流相对误差均控制在 2 以内 满足发挥部分要求 2 过流保护测试 减小负载电阻 当负载电流大于 4 5A 时保护电路动作 输出电压为 0 蜂鸣器报警 延时 2 秒后重新启动 若仍过流 则再次关闭输出 如果负载电流小于 4 5A 正常输出 满足发挥部分要求 3 其它 系统键控输入模块设计了 10 个数字键和三个功能键实现任意电流比例的输入 同时电 路用 1602 液晶实时显示输出电压值和两路 DC DC 模块的电流及输出总电流 显示结果与 测试结果基本一致 过流保护设计用蜂鸣器告警 4 结果分析 从以上结果可以看出 系统额定负载条件下效率超过 80 任何条件下 输出电压 Uo 均稳定 8 0 4V 以内 电流 和 相对误差均在 2 以内 实现了过流保护和自恢复功能 1I2 此外 还实现了键盘输入电流比例 液晶屏显示输出电压和电流 以及过流蜂鸣器报警功 能 系统各项指标均达到题目要求 部分指标优于题目要求 五 参考文献 1 林欣 功率电子技术 北京 清华大学出版社 2009 2 谢运祥 欧阳森 电力电子单片机控制技术 北京 机械工业出版社 2007 3 全国大学生电子设计竞赛组委会 第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 M 北 京 北京理工大学出版社 2010 4 陈永珍 陈之勃 2011 版全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解 M 北京 电子工 业出版社 2011 5 周志敏 周纪海 纪爱华等 开关电源实用技术 设计与应用 第 2 版 北京 人民邮 电出版社 2007 6 Pressman A Switching Power Supply Design Second Edition 北京 电子工业出版社 2005