精品毕业论文直流开关稳压电源均流系统设计课件

第I页 摘 要直流电子设备的日常应用越来越多，一台直流电源往往由于功率、电压、电流等原因不能满足现场要求且易出故障，所以在生产应用中通常采用多个电源并联运行。并联均流技术是当前电力电子技术发展的重点，开关电源并联均流系统利用多个电源模块并联，通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，每个模块能很好的满足电源在性能、重量、体积、效率、运输和可靠性等方面的要求。本论文中应用非隔离型 DC-DC 电源变换技术完成开关稳压电源（升压 Boost 型）的并联均流设计及制作。系统主要分为四个模块 ，首先由 UC3843 控制芯片构成的直流电压的升压变换，然后利用 UC3902 集成 IC 将两个相同的 UC3843 模块并联为自动均流电路，再利用 ADC0809 芯片完成 AD 转换并将转换后的数据传递给单片机，最后用单片机 AT89RC52(51)完成 AD 转换后的电压数值在数码管上显示。实验证明本系统输出电压具有一定可调范围，噪声、纹波电压低和 DC-DC 转化效率高的特点。除此之外，该系统还设计了过流保护功能，在电路排除过流故障后，电源具有自动恢复到正常的特点。关键词：关键词：开关电源，Boost DC-DC 转换，并联均流，AD 转换 第II页Dc switching power supply all flow system designAbstractElectronic equipment in daily practical application process, often because of the use of a DC power supply output parameters ( such as: power, voltage, current) can not fulfill the field requirement and breakdown, this often causes the whole system efficiency is low, device from overheating and even damage, so in practice usually employs multiple power parallel operation. Parallel and current sharing technology is currently the focus of development of power electronic technology, switching power supply parallel current sharing system utilizes a plurality of power supply modules in parallel, by changing the number of parallel modules to meet the needs of different power load, each module can be very good to meet the power performance, weight, size, efficiency, transport and reliability requirements.In this paper application of isolated type DC-DC power conversion technology to complete the switch regulated power supply (boost type Boost ) parallel and current sharing of design and production. The system consists of four modules, which first by UC3843 control chip consisting of DC voltage step-up converter, and then use UC3902integrated IC two identical UC3843modules in parallel for equalizing circuit, then the use of ADC0809chip AD and converting the transformed data are transmitted to the single chip microcomputer, finally by AT89RC52 single chip microcomputer (51) to complete the AD converted voltage values in the digital tube display.System output voltage with adjustable range, noise, low ripple voltage and DC-DC conversion efficiency. In addition, the system also has an overcurrent protection function, the circuit to preclude overcurrent fault, power supply is automatically recovered to a normal state.Keywords: Switching power supply, Boost DC-DC conversion, parallel flow,AD conversion 第III页目 录1 绪论.11.1 模块化分布式电源系统的发展.11.2 课题的研究目的与意义.11.3 本次课题设计的目标.11.3.1 方案设计技术指标.11.4 开关电源简介.21.4.1 开关电源概况.21.4.2 开关电源分类.31.5 并联均流技术简介.41.5.1 均流的概念.41.5.2 均流的一般原理.51.5.3 开关电源并联均流系统的特点.51.5.4 常用均流法.82 总体方案设计.92.1 系统的总模块框图和目标.92.2 DC-DC 模块工作原理分析 .102.2.1 工作状态简单介绍.102.2.2 电流连续模式（CCM 模式）.122.2.3 电流断续模式(DCM 模式).142.3 电路中 PWM 模块反馈原理分析.172.3.1 PWM 控制芯片 UC3843 简介 .172.3.2 如何检测芯片 UC3842/3 是否正常工作.192.4 开关管的选择（三极管，MOS 管区别）.202.5 均流模块原理分析.222.5.1 UC3902 介绍.222.5.2 UC3902 外接电路连接图.232.6 采样显示模块原理分析.272.6.1 ADC0809 芯片.282.6.2 ADC0809 的应用.292.6.3 74LS74 芯片.303 DC-DC 转化和均流模块.323.1 DC-DC 模块硬件设计 .323.1.1 DC-DC 模块参数计算.323.2 单个 DC-DC 模块的电路原理图 .333.3 均流模块原理图.343.4 辅助电源原理图.35 第IV页3.5 DC-DC 转换和均流模块原理总图 .353.5.1 本系统的使用方法.364 AD 采样和单片机显示模块.374.1 设计任务.374.2 显示模块设计思路.374.3 显示模块设计框图.384.4 显示模块的硬件设计.384.5 AD 采样和单片机显示模块电路总图.404.6 显示模块软件设计.415 显示界面效果.425.1 显示模块仿真功能演示.425.2 本次设计的最终实物图.43结 论.45致 谢.46参考文献.47附 录.49附录 A.49附录 B.50附录 C.54 第1页1 绪论1.1 模块化分布式电源系统的发展早在 70 年代，分布式电源系统概念就已经出现，最初应用于计算机供电系统和通信电源中。在这之前，通信系统往往备有两套完全一样的电源设备，虽然提高了可靠性，但是成本增加了一倍。现对于传统集中式供电系统，他利用最新电源理论和技术做成相对较小的电源功率模块来组合成积木式、智能化的大功率电源系统。分布式电源系统的引进，在提高可靠性和规范性的同时，也降低了成本，引起了人们的关注1 2。随着分布式电源系统的发展，越来越多的电源系统采用模块并联技术。多个开关电源模块灵活地并联组合成大功率分布式电源体系是目前实现开关电源大功率化的主要途径。由于负载功率均分在各个并联模块中，每个模块的容量减小了，简化了热设计，提高了系统可靠性34。因此，实现开关电源模块的并联运行是一个进一步提高电源系统运行可靠性和扩大电容量而需要解决的技术问题，也是近几年来电源领域人们研究的一个热门问题。1.2 课题的研究目的与意义多模块并联运行的分布式电源系统替代集中式电源供电系统已经成为大容量高频开关直流电源系统发展的一个重要方向。和集中式供电系统相比，分布式电源系统有更多的优点：能提高系统的灵活性；可将模块的开关频率提高到兆赫兹级别，从而提高了电源模块的功率密度，使电源系统的体积、重量下降；各个模块的功率半导体器件的电流应力减少，提高了系统的可靠性；可方便的实现 N+n 模块供电；减少产品种类，便于标准化。相关资料显示：开关电源并联均流技术在国外的发展也有相当一段时间，在国内许多科研单位和院校也开始涉足这一领域。因此，开关电源并联均流控制技术的研究具有社会影响和社会效益。 第2页1.3 本次课题设计的目标1.3.1 方案设计技术指标本次设计使用两个 DC-DC 模块并联，然后结合均流电路构成均流功能5。模块一模块二输入输出图 1.1 两模块并联示意图(1)每一个 DC-DC 模块，输入 24V 直流，输出电压 UO可调范围：30V36V；（在实际中的输出电压往往是一个固定的值。比如明确要求 32V 时，则可以通过分别调节 DC-DC 模块 1，调节 DC-DC 模块 2，使其分别稳定到 32V 然后再均流。同理可以获得 3036v 之间的任意个电压值）(2)每一个 DC-DC 模块，输出电流额定为 IO：2A(3)额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60% 。(4)在 DC-DC 模块并联后，系统会自动分流，调整负载电阻，保持输出电压 Uo 在设定值不变，使两个模块输出电流之和 Io=2.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。(5)具有过流保护功能，动作电流 IO（th）=2.20.2A。1.4 开关电源简介1.4.1 开关电源概况随着电力电子技术的高速发展， 电力电子设备 与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由 脉冲宽度调制 （PWM）控制 IC 和MOSFET 构成。在大量电子设备的实际应用过程中，往往因为使用单台直流电源的输出参数(如电压、电流、功率 )不能满足要求或发生故障，这样就引起整个系统效率低下甚 第3页至系统崩溃。所以在实际应用中通常采用多个电源并联运行。并联均流技术是当前电力电子技术发展的重点，大功率开关电源并联均流系统利用多个中、小功率的电源模块并联，通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，每个模块承受较小的电应力，使得电源保持较高的效率和较快的动态响应，可以很好地满足大功率电源在性能、重量、体积、效率和可靠性等方面的要求67。1.4.2 开关电源分类人们在开关电源技术领域是一边开发相关电力电子器件，同时开发开关变频技术，这两者的相互促进，从而推动着开关电源的高速发展。开关电源可分为AC-DC 和 DC-DC 两大类，DC-DC 变换器现在已经实现了模块化，并且设计技术及生产工艺在国内均已经成熟化、标准化，并且得到了用户的认可，但是AC-DC 的模块化，因其自身的特性是的在模块话的进程中，遇到了较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以描述。AC-DC 变换变换AC-DC 变换时将交流变为直流，其功率流向是双向的，功率流是由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为 “有源逆变”。AC-DC 变换器输入为 50_60HZ 的交流电，所以必须经整流、滤波，因此提及相对较大的滤波器电容器是必不可少。然而由于技术原因， AC-DC 的集成模块，并没有得到全面的发展。AC-DC 变换器分类：（1）按电路的接线方式可分为：半波电路、全波电路。（2）按电源相数可分为：单相、三相、多相。（3）按电路工作象限分为：一象限、二象限、三象限、四象限。D DC C- -D DC C 变变换换DC-DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制周期不变，改变导通占空比的方式来调节；二是频率调节方式，导通时间不变，改变周期。具体的电路拓扑结构为：（1）Buck 电路降压斩波器，其输出平均电压 Uo 小于输入电压 Ui,极性 第4页相同。（2）Boost 电路升压斩波器，其输出平均电压 Uo 大于输入电压 Ui,极性相同。（3）BuckBoost 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压 Ui,极性相反，电感传输。（4）Cuk 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压 Ui,极性相反，电容传输。（5）直流 DC/DC 转换器可以分为隔离 DCDC 转换、非隔离 DCDC 转换。隔离DCDC 转换电路中一般用变压器来实现输入和输出的隔离；非隔离式一般通过二极管来防止输出部分的电压电流倒流入输入端。以下内容主要介绍的直流开关电源 中的升压方向（非隔离的 Boost 类别）。直流开关电源的核心是 DC/DC 转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC 转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC 转换器的分类是基本相同的， DC/DC 转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化能使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义8。1.5 并联均流技术简介电源输出参数的扩展，仅仅通过简单的串、并联方式还不能完全保证整个电源系统在扩展后能够稳定、可靠地工作。不论电源模块是扩压还是扩流，都存在一个“均压”、“均流”的问题，而解决方法的不同，对整个电源扩展系统的稳定性、可靠性都有很大的影响。由于目前稳定电源输出扩流应用较多，本处仅讨论开关电源并联均流技术。 第5页1.5.1 均流的概念一套开关电源系统至少需要两个开关电源模块并联工作，功率大的电源系统甚至需要数十个电源模块并联工作，这就要求并联工作的电源模块能够共同平均分担负载电流，即均分负载电流。均分负载电流的作用是使系统中的每个模块都能有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，以保证电源系统能够稳定、可靠、高效地工作。负载均分性能一般以负载不平衡度指标来衡量，负载不平衡度越小，其均分性能越好，即各模块实际输出电流值距系统要求值的偏离点和离散性越小。国家有关标准和信息产业部入网要求其均分负载不平衡度不大于输出额定电流值5%。按照通信用半导体整流设备 标准中描述的不平衡度，计算方法如下 ：1 =(K1-K)*100% （1.1）2 =(K2-K)*100% （1.2）n =(Kn-K)*100% （1.3）K =I/Ih （1.4）K1=I1/Ih1 （1.5）K2=I2/Ih2 （1.6）Kn=In/Ihn （1.7）式子中，1，2，n 代表各整流模块负载不平衡度；I1,I2,In 代表各整流模块所分担的输出电流值； Ih1,Ih2,Ihn 代表各整流模块额定输出电流值； I 代表 n 台整流模块输出电流总和。1.5.2 均流的一般原理并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下，各并联模块输出电阻为恒值，输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流的实质是通过均流控制电路，调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，以达到均分电流的目的。 第6页1.5.3 开关电源并联均流系统的特点电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统。和集中式电源系统相比，分布式电源系统有更多的优点 :提高了系统的灵活性 ;可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了模块的功率密度，使电源系统的体积、重量下降;各个模块的功率半导体器件的电应力减小，提高了系统的可靠性，分布系统可方便的实现冗余 ;减少产品种类，便于标准化。所谓冗余是指 :设 N+n 台变换器模块并联，其中 N 台用以供给负载所需电流， n 台为后备(冗余)模块，当正在工作的模块出现故障时，后备模块投入运行，这样正在工作的N 台模块即使有 n台同时发生故障，电源系统也能保证提供100%的负载电流。除了使系统增加了冗余功率外，采用冗余技术还可以实现热交换，即在保证系统不间断供电情况下，更换系统的失效模块9。当今供电系统的要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都与开关电源的并联运行控制密切相关。开关电源的并联运行主要有以下三个好处:(l)可以用来灵活地扩大开关电源系统的容量 ;(2)可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性 ;(3)具有极高的系统可维修性能，在单个模块出现故障时，可以很方便的进行热插拔更换或维修。由于以上的原因，即大功率负载需求和分布式电源系统的发展，开关电源并联技术的重要性日益增加。但是并联的开关变换器模块间需要采用均流(Currentsharing)措施，用以保证模块间电应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台工作在电流极限状态。因为并联运行的各个模块特性并不一样，外特性好的模块，可能承担更多的电流，其结果必然是分担电流多的模块，热应力大，降低了可靠性。对若干个开关变换器模块并联的电源系统，基本要求是：(l)各模块承受的电流能自动平衡，实现均流。 (2)为了提高系统的可靠性，每个模块应尽可能不增加外部均流控制措施， 均流技术与冗余技术相结合。 (3)当输入电压或负载电流变换时，应保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响应好。(4)当有公共的均流母线时，其带宽应小，以降低噪音。均流的主要任务有 :1、当负载变化时，每台负载的输出电压变化相同 。 第7页2、使每台电源的输出电流按功率份额均摊。开关电源是一个电压型控制的闭环系统，均流的基本思想是采用各自输出电流信号，并把该信号引入控制环路中来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点，可以直接调节系统的基准电压、反馈电压误差或者反馈电流误差，形成多种均流方案，以满足不同的稳态性能和动态响应。在电源模块并联化的过程中主要解决的问题是模块间的均流问题，即如何将负载电流平均地分配给每一个模块电源，同时使输出电压符合要求并保证系统稳定工作。如果无法保证并联模块间负载电流的均分，必将使某些模块的输出电流较大，而另外一些输出电流较小，甚至不输出，这样会导致分担电流多的模块开关器件的热应力增大，系统的可靠性降低。此外为了实现DC/DC 模块的并联均流还要解决包括提高系统容错能力和动态响应速度，降低噪声等问题。并联模块输出电流不平均的根本原因是模块参数的不一致，每一个DC/DC 模块电源都有其相应的输出特性曲线。图1.2为两个模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线6。图 1.2(a) 两个模块并联等效电路 第8页图 1.2(b) 两个模块并联均流 输出外特性如果两个模块的参数完全相同，即V1max=V2max，R1=R2，两条外特性曲线重合，负载电流均匀分配。如果其中一个模块的电压参考值较高，输出电阻较小(外特性斜率小 )，如图1.2中的 V01，则该模块将承受大部分负载电流，负载增大，模块 1 将运行于满载或过载限流的状态，影响了系统可靠性。可见，并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特性差异是电流难以实现均分的根源。1.5.4 常用均流法(1)输出阻抗法。通过调节开关变换器的输出阻抗，控制输出电流，以达到并联模块接近均流的目的。(2)主从设置法。实用于有待暖流型控制的并联开关电源系统中，所谓电流型控制是指电源模块中有电压控制和电流控制，形成双闭环系统。电流环式内环，电压环式外环。主从设置法 是在并联的 n 个变换器模块中，指定其中一个为主模块，其余为从模块，跟从主模块分配电流。(3)平均电流自动均流法 。这种方法要求并联各个模块的电流放大器输出端通过一个电阻 R 接到一条公用母线上，称均流母线。倒是当均流母线短路时，接着母线上的任何一个模块都不能正常工作，结果造成故障。(4)热应力自动均流法 。这种方案，按每一个模块的电流和温度（即热应力）自动均流。优点：电源系统中各并联模块在电源柜中所处位置不同，对散热要求也不同，结果又得模块温度高，有的模块温度低 。但按此种方式设计时，不比考虑各模块的布置情况。(5)最大电流自动均流法 。这是一种自动设定主模块和从模块的方法。在n 个并联模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块，他们的电压误差依次被整定，以校正负载电流分配的不平衡，又称“自动主从控制法”。均流芯片 UC3902，就是基于最大电流自动均流法而生产的芯片。本设计将采用的方案 最大电流自动均流法1011。 第9页2 总体方案设计本次论文设计一共分为两大部分：一是 DC-DC 转化和均流模块设计，二是 AD 采样和单片机显示模块设计。方案设计目标：(1)每一个 DC-DC 模块，输入 24V 直流，输出电压 UO可调范围：30V36V（在实际中的输出电压往往是一个固定的值。比如明确要求 32v 时，则可以通过分别调节 DC-DC 模块 1，调节 DC-DC 模块 2，使其分别稳定到 32V 然后再均流。同理可以获得 30V36V 之间的任意个电压值）。(2)每一个 DC-DC 模块，输出电流额定为 IO：2A(3)额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60% 。(4)在 DC-DC 模块并联后，系统会自动分流， 调整负载电阻，保持输出电压 Uo 在设定值不变，使两个模块输出电流之和 Io =2.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%(5)具有过流保护功能，动作电流 Io（th）=2.20.2A；(6)完成 DC-DC 电压转化后的输出电压用 ADC0809 检测转化。并将转化后的数据传到单片机，经过单片机处理后通过数码管显示。(7)ADC0809 的三个通道，分别检测电子电路中的 DC-DC 模块 1 输出电压Uout1，DC-DC 模块 1 输出电压 Uout2,电路最后输出电压 Uo。通过 AD 模块中的一个按钮开关来切换检测通道在 Uout1，Uout2，Uo 之间检测。图中 ADC0809 的 clock 时钟信号通过单片机的 ALE 通过 74LS74 两次分频。把单片机的 12M 频率变成 ALE 的 2M，然后通过 1 次二分频变成 1M,再通过一次二分频变成 500kHZ，这样就就能给 ADC0809 提供工作时钟信号了。2.1 系统的总模块框图和目标系统一共分为两个大部分设计：1、DC-DC 转化和均流模块设计 2、AD 采样和单片机显示模块设计 第10页图 2.1 DC-DC 转化和均流模块总体框图根据实验室的设备（已经拥有了 220V 交流电到 24V 直流的电源） ，本次设计方案只解决图中深色模块即可。2 个一样的 DC-DC 模块最后并联均流给负载供电。注意:供电电压是在 DC-DC 模块 1，DC-DC 模块 2 分别达到相同的电压前提下，最后均流的，并不是调节的时候就能直接在 3036V 之间变化时并且保持均流。采样显示部分会分别显示 DC-DC 模块 1，DC-DC 模块 2，和输出电压的三个电压值，方便调试。2.2 DC-DC 模块工作原理分析通过开关电源完成直流电源电压变换，本节是 BOOST 拓扑结构的原理分析。2.2.1 工作状态简单介绍根据课题中的系统框图分析，在两个同样的 DC-DC 模块可以采用同样的设计思路，然后并联均流。在采用开关电源的升压斩波控制方式（BOOST 结构）时，DC-DC 模块简单框图如下20。图 2.2 DC-DC 模块示意图说明：框图中的 L1 是储能电感，L2 是滤波电感，电容 C 为储能电容。 第11页在 PWM 输出的高低电平，控制开关的闭合关断两个状态时，电路工作方式如下：图 2.3 DC-DC 模块开关管关闭 L1 充能量示意图上图为当 PWM 控制的开关管关闭时，电流如箭头所示形成回路，这时对 L1 冲能量。电容 C 对负载供电。图 2.4 DC-DC 模块开关管断开时 L1 对负载供电示意图上图当 PWM 控制的开关管断开开始时，电流如箭头所示形成回路，这时 L1 和电源共同对 C 充电，并给负载供电。图 2.5 DC-DC 模块充电示意图BOOST 变换器的优点：输入电流是连续的，这减轻了对电源的电磁干扰；开关晶体管发射极接地，使驱动电路简单。BOOST 变换器的缺点是： 第12页输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大所以实际应用中，在二极管与输出之间 常加入一个输出滤波网络.电压变比永远大于 1，即它只能升压，不能降压。2.2.2 电流连续模式（CCM 模式）在开关电源的工作过程中，由于是由开关管的导通和关断两种情况来控制电能量的储能和释放的。同时又有储能电感的作用才能完成输出目标的电压电流。但是在开关电源的实际工作中分为电流连续模式（CCM 模式）和电流断续模式（DCM 模式）12.14。以下内容将分别介绍 CCM 模式和 DCM 模式下对开关电源的影响，以及该对应模式下对计算参数的影响。对于 CCM 模式中时序图，描述中的电气符号可以的对应图 2.5 理解。时序图 2.6中的快速分析观看方式是以 Vbe为参考的（Vbe就是晶体管 Q 的 be 端了） 。当晶体管 Q 导通时，二极管截止(t=0DTs)，输入电压 Vs 向能量传递电感 L 充磁，负载电压 Vo 靠滤波电容 C 维持；当晶体管截止时，二极管导通(t=DTsTs)，电感把前一阶段贮存的能量全部释放给负载和电容显然，晶体管导通的时间越长，即 D 越大，负截获得的能量越多，输出电压越高。由电感电压伏秒平衡原理有： VsDTs=(Vo-Vs)(1-D)Ts （2.1）得： 11OSVMVD（2.2）输出电压和输入电压关系： 1iOVVD（2.3）根据公式发现 M 始终大于 1， Boost 变换器的稳态电压变比永远大于 1，所以Boost 变换器也称为升压变换器。1.根据 boost 型电路的输入功率和输出功率关系： 第13页 ViIig= Vo Io （2.4）2.可以得到输入电流=储能电感电流： Ii=Iil=, 其中 D= 1OIDOiOVVV（2.5）3.流过二极管 VD 的电流平均值等于输出电流平均值： Ivd=Io （2.6） 第14页（g）ID（a）VSDTS（f）VSVS-VOVL（e）（d）Vo（c）Vo（b）VbetVDVQVSVSISILISttttiQDTSTS2TSIOtt图 2.6 电流连续模式（CCM 模式）时序图4.流过开关 S 的电流平均值 Is 为： Is=Ii-Io= 1oDID（2.7）5.电感电流 Iil的变化量Iil,即输入电流的变化量为： 第15页 Iil= ()(1)(1)iOiOV DTVVD TD DTVLLL（2.8）6. 电感电流纹波Iiil=0.5*电感电流Iil（根据题目中的要求电流纹波，可以反过来计算实际的电感量 L 需求） L= 11(1)22iOiiiiV DTD DTVII（2.9）7.流过开关管 S 和二极管 VD 的电流最大值 Ismax和 Ivdmax与电感电流最大值 Iilmax相等,即 Ismax=Ivdmax=Iilmax=Ii+0.5Iil= (1)12OOID DTVDL（2.10）8.开关 S 和二极管 VD 截止时，所承受的电压均为输出电压 Vo,实际器件的选用时，可以根据各电流公式和器件所承受的电压值选用开关器件和二极管。9.输出电压脉动:（根据这个公式，可以在已知题目要求的脉动电压Vo时,计算出电容 C 的大小）: Vo =Vomax-Vomin= OOI DTDICCf（2.11）10.由（2.11）式得出的输出电容 C: C= OODIV f（2.12）实际中的电容: C=(35) OODIV f（2.13） 第16页2.2.3 电流断续模式(DCM 模式)当电感 L 较小，或电阻 R 较大，或开关颇率 fS较低时，BOOST 变换器也将工作在不连续导电模式下，如下图：图 2.7 （a）0-D1Ts期间说明：图 2.7（a）为电感开始充能量。图 2.7(b) D1TS-(D1+D2)TS期间说明：图 2.7（b）为电感释放能量。图 2.7(c) (D1+D2)TS-Tf 期间说明：图 2.7（c）为电感能量不足，但是电感又还没有再次充能量。D2是电路断续的部分表示。由电感电压伏秒平衡原理有: VsD1Ts= 2()OSSVVD T（2.14）得： M= 122OSVDDVD（2.15） 第17页DCM 模式下，Boost 变换器的稳态电压变比仍永远大于 1，但 M 不但与导通比 D1有关，也与 D2有关，而 D2取决于电路参数15。(下图 S 代表开关管状态)图 2.8 电流断续模式时序图断续模式下，D2 与电路参数的关系推导：IS= )(21211DDTsDLVs（2.16）IS=MI0=M （2.17RVo） 2121()DD DMK（2.18） （2.192112221114/*2DKDDKMDDD又，） 第18页 2112114/*2DKDDMK且：（2.20）连续模式（CCM）和断续模式（DCM）的临界状态：i=IS 是连续与不连续导电模式的分界条件，则有：i （2.21LTsVsDRVoMIs21）可得 BOOST 变换器连续与不连续导电模式的临界条件为：Kcrit = （2.22321SLMRTM）Kcrit = 211D 1 D（2.23）当 KKcrit 时为连续导电模式，当 K1V 时，管脚 6 输出的 PWM 波，占空比为 0.如果这在经过这个检测后，基本都能达到步骤中的现象。那么该芯片是正常的，可以接着连接后续的电路。芯片损坏的最常见原因是电源开关管短路后,高电压从 G 极加到其 6 脚而致使其烧毁。 第22页2.4 开关管的选择（三极管，MOS 管区别）图 2.12 三极管和 MOS 管的图形符号1、工作性质：三极管用电流控制，MOS 管属于电压控制.2、成本问题：三极管便宜，MOS 管贵。 3、功耗问题：三极管损耗大。4、驱动能力：MOS 管常用来电源开关，以及大电流地方开关电路。 实际上就是三极管比较便宜，用起来方便，常用在数字电路开关控制。 MOS 管用于高频高速电路，大电流场合，以及对基极或漏极控制电流比较敏感的地方。 一般来说低成本场合，普通应用的先考虑用三极管，不行的话考虑 MOS 管实际上说电流控制慢，电压控制快这种理解是不对的。要真正理解得了解双极晶体管和 MOS晶体管的工作方式才能明白。三极管是靠载流子的运动来工作的，以 NPN 管射极跟随器为例，当基极加不加电压时，基区和发射区组成的 PN 结为阻止多子（基区为空穴，发射区为电子）的扩散运动，在此 PN 结处会感应出由发射区指向基区的静电场（即内建电场） ，当基极外加正电压的指向为基区指向发射区，当基极外加电压产生的电场大于内建电场时，基区的载流子（电子）才有可能从基区流向发射区，此电压的最小值即 PN 结的正向导通电压（工程上一般认为 0.7v） 。但此时每个 PN 结的两侧都会有电荷存在，此时如果集电极-发射极加正电压，在电场作用下，发射区的电子往基区运动（实际上都是电子的反方向运动） ，由于基区宽度很小，电子很容易越过基区到达集电区，并与此处的 PN 的空穴复合（靠近集电极） ，为维持平衡，在正电场的作用下集电区的电子加速外集电极运动，而空穴则为 pn 结处运动，此过程类似一个雪崩过程。集电极的电子通过电源回到发射极，这就是晶体管的工作原理。三极管工作时，两个 PN 结都会感应出电荷，当做开关管处于导通状态时，三极管处于饱和状态，如果这时三极管截至，PN 结感应的电 第23页荷要恢复到平衡状态，这个过程需要时间。而 MOS 三极管工作方式不同，没有这个恢复时间，因此可以用作高速开关管。（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。（5）场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。 （6）场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。2.5 均流模块原理分析在电路均流，常用的方法中有：输出阻抗法、主从设置法、平均电流自动均流法、热应力自动均流法、最大电流自动均流法。直流模块并联的方案很多，但用于电力操作电源，却存在着一些缺陷：如输出阻抗法的均流精度太低；主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术，使并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证；而自主均流法依据特有的性能，如：“均流精度高，动态响应好，可以实现冗余技术等 ”，越来越受到广大产品开发人员的青睐。针对自主均流法的特点， UC公司开发出了集成芯片 UC3902，其外形为八个管脚，管脚编号及功能如图 2.13所示。电流最大的模块被自动确定为主模块，主模块驱使均流母线电压与它的输出电流成比例。从模块以均流母线电压为基准，达到每个模块均分电流的目的。本设计选用最大电流自动均流法，通过芯片UC3902来实现41。 第24页2.5.1 UC3902 介绍UC3902集成芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。其工作电压VCC在2.7V20V。另外，此芯片有一个独特的有利条件是它使用了差模均载母线，这种结构大大增强了系统对噪音的抑制能力。图2.13 UC3902内部结构图图2.13是它的内部框图，由以下几个部分组成：（1）检测电流放大器（CURRENT SENSE AMPLIFIRE）（2）均流驱动和均流检测放大器（SHARE DRIVER and SENSE AMPLIFIER）（3）一个跨导式误差放大器（GMAMP LIFIRE）（4）缓冲级调整放大器（ADJ OUTPUT AMPLIFIER）（5）辅助工作电路，用以提供内部偏置和芯片内部的参考电流检测放大器，其增益为40。电流检测放大器的输出是与电源模块的输出电流成正比，且作为输入信号提供给均流驱动放大器的正向输入端和误差放大器的反向输入端。因为均流驱动放大器为单位增益，所以均流驱动放大器的输出电压等于电流检测放大器的输出电压。假如这个电压在所有模块中属于最高电位，那么这个模块称为主模块，主模块均流驱动放大器的输出决定了均流母线的电压。比均流母线电压低的模块称为从模块，从模块控制器的均流驱动放大器的输出是不与均流母线相通的，这是因为被串联在均流驱动放大器输出的二极管隔离了。 第25页均流检测放大器检测差模均流母线上的电压，并把输出信号作为误差放大器的正向输入端，跟均流驱动放大器一样，增益也为1。因此均流检测放大器的输出电压与主模块的输出电流相对应，也就是和均流母线上的电压相对应。UC3902的误差放大器应用了跨导放大。如果把反馈网络连接在误差放大器的反向输入端与输出端，那么所代表的输出电流是不准确的。而跨导放大器把反馈网络连接在误差放大器的输出与地线之间，这样把电流信号的可靠性放在误差放大器的反向输入端，提高了放大器输出电流的可靠性。同时，跨导放大器需要一高的输入与输出阻抗，用电流源输出阻抗代替电压源输出阻抗，相应的跨导被定义为A/V，乘以带有补偿网络阻抗的跨导GM，就转化为V/V。误差放大器稳定状态的输出电压是电流检测放大器的输出和均流检测放大器输出的电压差的函数，当工作在主模块状态时电压差为零。为确保误差放大器正确的工作状态，有50mV的偏置串联在它的反向输入端。这种人为的补偿是为了增加主从模块之间转换的裕度，同时将确保工作在主模块状态2.5.2 UC3902 外接电路连接图在UC3902的外围电路连接中通常有两种方案，我们选用的第二种方案，第一种只做介绍。方案一：用了检测电压跟随器U141。图2.14(a) UC3902电压跟随方案外围典型电路图UC3902的外围电路如图所示。此芯片只需要很少的外部元器件。在这些元器件的值 第26页被计算之前，模块变换器中的三个参数必须知道：（1）VONOM即额定输出电压；（2）IOmax即最大输出电流；（3）VOmax最大输出电压调节范围。模块之间为了精确均流，每个模块输出电流必须被检测。电流检测电阻RSENSE，检测一负信号输入到电流检测放大器反向端。对检测电阻的选择基于以下两个因素：1.最大功耗；2.通过检测电阻的最大压降。功耗受效率、器件的额定功率的限制。最大压降必须与芯片内部对信号的限制相对应，很重要的一点是防止电流检测放大器的饱和，放大器输出的最高电压VCSAO是VCC的函数，根据芯片提供的资料和实际调试的经验，取5V10V为宜，相应可得：1、 maxCSAOSENSECSAVVA（2.5.1）式中电流检测放大器的增益ACSA=40。2、 maxmaxSENSESENSEOVRI（2.5.2）3、IADJmax，根据经验应工作在5mA10mA之间，因为较低一点的值可能引起系统对噪音的敏感，但不能超过10mA。它的实际电流由ADJR管脚上可能的最高电压(2.6V)和连接在ADJR管脚与地之间的电阻RG来决定，这样： max2.6ADJVRGI（2.5.3）4、RADJ是电源检测线正端的阻抗，它的值是与的函数，又由于检测maxOVmaxADJI电阻降低了输出电压的调整范围，所以： maxmax()OSENSEADJADJVRRI（2.5.4） 第27页所有并联单元的均流环是负反馈控制环，为了可靠地工作，负反馈控制必须服从稳定性原则。均流环加在已存在的单个模块电源上，所以必须避免各控制环之间的干扰。为了保证电压环的稳定性，均流环的交越频率至少低于电压环交越频率的10倍，这样均流环在电压环交越频率处被最小化。可以用以下的传递函数，对网络进行分析：APWR：电压环的传递函数。AVoVis：这个增益术语描述的是输出电压和检测电阻上的电压之间的关系，它随着负载阻抗的变化而变化：5、AVo SENSEisLOADRVR（2.5.5）ACSA：电流检测放大器增益，大小为40。ASHA：均流驱动和均流检测放大器增益1。6、AEA:误差放大器的增益。 EAMCOMPAGX（2.5.6）式中GM为跨导，XCOMP为复频函数补偿器件的阻抗。7、AADJ：调节电路增益。 12ADJoutADJoutRRARGR（2.5.7）8、所以均流环增益： OSHPWRVisCSASHAEAADJAAAVAAAA（2.5.8）方案二：不使用电压跟随器U141。方案二实验参数的确定（图中的测试端，可以直接悬空）确定电流检测电阻： maxmaxsSCSAoURAI（2.5.9） 第28页图2.14(b) UC3902均流控制器不使用电压跟随应用电路公式中：Usmax为电流检测放大器的最高电压；Axsa为增益，Acsa=40；Iomax为电源模块的最大输出电流. 在本次设计中输出电流最大为 Iomax =2A。由于 Rs 的选择要从电阻的最大功耗及其最大压降来考虑。功耗受效率和器件而定功率的限制。最大电压必须与芯片内部对信号的限制相对应，以防止电流检测放大器饱和。根据芯片手册和实际调试的经验，取 510V 为宜，所以可选 Usmax=6v。则有 Rs=6/（40*2）=0.075 欧（一般我们用康铜丝） 。确定限流电阻（RG=Rg）： （2.5.10）maxmaxadjgadjURI为确保驱动电流和功率损耗都在 UC30902 所允许的范围之内，应使足够小，maxadjI一般选在 510mA 的范围内，这里选=5mA.通常=2.6V。maxadjImaxadjU这是因为较小的电流会增加催噪音的灵敏度，而过大的电流会增加缓冲三极管的 第29页损耗。将这两个数据代入式（2.5.10） ，得到 Rg=520 欧，实选可为 510 欧。确定调整电阻为： maxmaxmax()ooSadjadjUIRRI（2.5.11）式中： Uomax为输出电压最大调整范围。在设计中Uomax=0.6V。代入式子（2.5.11） ，得 Radj=90 欧。Radj的数值应小到不影响模块电压反馈电路的正常工作，一般在 20100 欧之间，实际选 85 欧。确定补偿元件： 2ADJSMCCSAPWRcgLOADRRGCAAfRR（2.5.12） (2.5.13)12CcCRf C式中：Gm 为误差放大器的跨导，Gm=4.5ms， C为均流环的交越频率，RL 是负载电阻值: maxOoURLI（2.5.14）Apwr为 c 频率下电压环的增益，在模块电源和 SENSE 间接一个测量信号可测得。Cc 和 Rc 的选择较为复杂，涉及系统的稳定性。为了保证系统的稳定性，电压环的交越频率应为 10c 或 20c。设计中，假定模块的电压环交越频率为 40HZ，增益为10dB，则电流环的交越频率选定为 4HZ，所以，代入式（2.5.12） ，得：Cc=149uF，Cc一般选几百皮法至几千皮法，实选 50uF。在 Cc 串入一个电阻 Rc 是为了使负载均分回路获得更好的相位裕度，在 c 时，其值为零。代入式（2.5.13） ，得：Rc=265 欧。Cc和 Rc 也可经过实际电路调整。2.6 采样显示模块原理分析本设计中使用的 AT89RC52 单片机，该单片机是 51 系列的一种，所有的 51 系列单片机此设计中的程序基本完全一样。51 系列的单片机基本都可以替代此设计中的AT89RC52 型号单片机。例如