2011电子竞赛设计报告.doc

开关电源模块并联供电系统(A题)设计报告2011年9月3日摘 要 本系统采用两组DC/DC模块组成开关电源并联供电系统。DC/DC模块均采用降压型斩波变换电路，功率管采用MOSFET场效应管。控制电路采用STC12C5616AD单片机，同时完成PWM信号产生、A/D转换两组模块的电流分配比例控制和短路保护功能。PWM信号由TLP250光耦隔离后驱动MOSFET管。辅助电源由反激式开关电源产生。本系统具有线路简单、工作可靠、效率高、控制准确等特点。经过实验验证，该电路能较好地实现题目所要求的功能。关键词：STC12C5616AD；开关电源；BUCK型斩波电路。目 录1方案选择41.1 DC-DC主回路拓扑结构的论证与选择41.2 控制方法的论证与选择51.3 辅助电源的论证与选择52系统理论分析与计算52.1 主回路器件选择及参数设计52.2 辅助电源回路器件选择及参数设计62.3 控制回路器件选择及参数设计63电路与程序设计63.1电路的设计63.2程序的设计63.2.1程序功能描述与设计思路73.2.2程序流程图74指标测试84.1 测试仪器84.2测试结果及分析85 结论86文献参考97 附录81方案选择1.1DC-DC主回路拓扑的论证与选择DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案方案一：串联开关电路形式。开关管V1受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。该电路属于降压型电路，可获得题目要求的8V的输出电压。（见图1）图1方案二：并联开关电路形式。并联开关电路原理与串联开关电路类似，但此电路为升压型电路，开关导通时电感储能，截止时电感能量输出。只要电感绕制合理，不能达到题目要求的8V。（见图2）图2 方案三：串并联开关电路形式。在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。开关管T交替工作于导通/关断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL 靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。（见图3）图3题目要求由24V电压变成8V电压，所以需选一个具有降压功能的电路。而串联开关式电路与串并联开关式电路相比具有效率高，拓扑结构简单的有点，且电路对功率要求也不是很高，所以我们采用方案一的方式。1.2 控制方法的论证与选择 由于该电路是由2个完全相同的DC/DC模块并联组成。两个模块电路的内阻相同且很小，只要我们稍稍改变一下电压，就能按一定比例很大的改变输出电流。所以只需控制PWM来改变电压即可。方案一：利用脉宽脉宽调制型控制器控制。用脉宽调制型控制器实现PWM控制，产生频率为20KHZ的脉冲较容易，并且完全由硬件产生高频脉冲，实时性好。方案二：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。同时根据A/D后的输出总电流控制两个模块输出电流之比。负载电流在一个小电阻上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。 方案一的方式电路设计难度较大，电路板布线工作量大。相对与方案一，方案二具有线路简单，电路板布线工作量小的优点。且能有实现智能化控制，控制起来更加简便，但控制算法相对会比较复杂，输出电压精确度比较有限。鉴于以上分析，以及电路要求，我们选用方案二作为控制方式。1.3 辅助电源的论证与选择方案一：反激式集成开关电源。方案二：全桥式开关电源。这种电路结构的特点是：由四只相同的调整管接成电桥结构驱动变压器的原边。工作过程：互为对角的两个功率管同时导通，同一侧上的两功率管交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变PWM占空比就可以改变输出电压。反激式变换器具有效率高，线路简单，能提供多路输出的特点，因此在小功率变换器中得到广泛应用。全桥式开关电源适用功率管数量较多，适用于超大功率开关电源中。综上所述，我们选择反激式集成开关电源。2系统理论分析与计算2.1.主回路器件的选择及参数设计常用的二极管开关器件有快恢复、超快速恢复二极管、肖特基二极管等。在本电路中中，我们选择的是快恢复二极管。因为快恢复二极管与普通二极管相比有着开通速度快，关断时间短的特点，能适用于较高频率的电路。而肖特基虽然有更快的开关速度，但由于耐压相对较低，所以不适合本电路。在其他开关原件中，有功率MOSEFT管、绝缘栅晶体管、SCR、GTR、GTO功率等。其中MOSEFT管有着快关速度快，低压导通压降小，多适用于高频大电流的场合。三极管的开关速度慢，且功耗比较大，所以多不适用三极管作为电源开关。可关断晶体管GTO功率大，价格高，一般用于高压大功率电力机车调速等专用场合。根据本电路低电压的特点，所以我们选择功率MOSEFT。2.2 辅助电源回路器件的选择及参数设计 在辅助电源里，我们需要把24V电源变成12V、15V和5V的电压供主电路和控制电路使用。开关器件采用MOSFET场效应管，压降小，可以有效得提高效率。在产生5V的支路中采用7804芯片。该芯片功耗较小，可以防止补充到UC3845AN芯片7脚的电压不足，使芯片不能正常工作。2.3 控制回路器件的选择 单片机选用STC12C5616AD。该型号单片机具有保密性好，低功耗，价格低，高速，可靠性好，抗干扰能力强，且自带PWM功能，无需外加电路。而且它是基于51单片机的基础之上，由于我们对51单片机比较熟悉，所以容易上手。且本身就具有A/D转换功能，无需外加电路。应用也比较广泛，方便购得。3电路与程序设计3.1电路的设计电路设计基本思路:首先设计一个降压式斩波主电路，得到题目所要求的电压。在输出电压中取一个反馈电压，经A/D转换后送入单片机与单片机设置的基准电压进行比较，由单片机输出一个脉冲电压，通过驱动器控制脉宽变化，从而起到稳定输出电压和控制输出电流的功能。电路框图：输入电压主电路负载单片机辅助电源反馈TLP250驱动 电路原理图见附录13.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路程序主要分为稳压和电流按比例分配两个功能。在稳压方面，让采样电压和设置的基准电压进行比较。若比基准电压大，则开始减少占空比调节。若比基准电压小，则开始增加占空比的调节。在电流自动按比例分配方面，检测每路输出电流，经过A/D转换后送入单片机，计算出总电流。若总电流大于1.3，则按1：2模式分配输出电流；若总电流小于1.2，则按1：1模式分配。大于1.55，按手动分配；若总电流小于1.45，则按1：2分配。大于3.8，按1：1分配；若总电流小于3.7，则按手动模式分配。若总电流大于4.5A，则自动切断电源，经过 秒后，自动恢复。3.2.2程序流程图初始化采样电压与设定基准电压进行比较若比基准电压小，则增加占空比根据输出总电流选择分配比例若比基准电压大，则减少占空比。若总电流大于1.3，则按1：2模式分配若总电流小于1.2，则按1：1模式分配。大于1.55，按手动分配若总电流小于1.45，则按1：2分配。大于3.8，按1：1分配。若总电流小于3.7，则按手动模式分配A/D输入源程序见附录24 指标测试4.1测试仪器TDS210 示波器；VC9804A+ 3位半数字万用表PS-303直流电源；4.2 测试结果及分析表1负载调整率测试输出电流1.0A1.52A4.09A输出电压7.9V7.8V7.8V 负载调整率：（7.9-7.8）7.9100%=1.2%表2输出电流量输出总电流1.0A1.52A4.09A模块1输出电流0.5A1.004A2.047A模块2输出电流0.5A0.5A2.030A相对误差绝对值00.9%0.97%表3效率检测输入电压输入电流输出电压输出电流效率24V0.35A7.9V1.0A0.9424V0.52A7.8V1.520.9524V1.36A7.8V4.090.98 过流保护：过流保护电流为4.56当输出总电流为1.7A时，调节电位器，两路输出电流在（1.37，0.32）到（0.188，1.42）范围之间；当输出总电流为2.54A时，调节电位器，两路输出电流在（0.315，2.22）到（2.216，0.48）范围之间，相对误差绝对值为；当输出电流为3.5A时，调节电位器，两路输出电流在（0.403，2.86）到（2.811，0.600）范围之间。 通过上述数据的分析，我们可以知道该系统能够很好的完成题目所要求的内容，且在某些性能上超过了题目的要求。所以这是一个比较成功的电路系统。 五、 结论经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有比较大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。而且本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，整个制作和调试的过程很累很辛苦，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。六、 参考文献 1 曲学基等. 新编高频开关稳压电源. 北京：电子工业出版社，2005 2 高吉祥等. 模拟电子技术（第二版）. 北京：电子工业出版社，20073马忠梅等. 单片机的C语言应用程序. 北京：北京航空航天出版社，2007七、 附录附录1：电路原理图主电路原理图控制电源部分附录2：源程序主程序：/*/设备名称：开关电源模块并联供电系统（2011电子竞赛）/功能：检测输出电压与两个输出电流，/单片机硬件条件：STC12C5616AD DC5V供电 用33MHz晶振 煤电钻电源-前级完整原理图 V2/设计与制作：朱鑫铮 2011.9.1/* /*功能简介：1、*/*#include #include unsigned char PWM1D; /模块1的占空比unsigned char PWM2D; /模块2的占空比unsigned char CurrentScale_Set; /设定的模块1和2的电流比/PWM占空比分配比例,200表示 模块1:模块2 = 2:1 unsigned char CurrentScale_Fb; /反馈的模块1和2的电流比unsigned char ScaleSelect; /电流比例调节程序状态unsigned char VoltagePISelect; /电压PI调节状态/unsigned char ManualMode; /手动模式使能信号unsigned int ADResult; /本次采样电压的AD值/unsigned int Current1Fb10; /电流1反馈/unsigned int Current2Fb10; /电流2反馈unsigned int ADResultC1; /本次采样电流1的AD值unsigned int ADResultC2; /本次采样电流2的AD值unsigned int ADResultCA; /本次采样电流1和2的AD值的总和unsigned char OverLoadTime; /短路保护时间unsigned int ADAdjust; / main() unsigned char u8i; /临时数据存放/ unsigned int u16i; /临时数据存放 unsigned long u32i; /临时数据存放 unsigned int VoltageRefGap=0;/现在反馈的电压和设定值的差距。10位数 unsigned int VoltageRefGap2=0; /累计误差 unsigned char RunLEDtimer; /运行LED闪烁指示定时/ unsigned char C4ATime; IOInit(); OtherInit(); EA=0; /禁止中断 Timer1Start(); /启动定时器0 PWMStart(); /启动PWM PWM1D=PWMFirst; /初始化占空比 PWM2D=PWMFirst; CurrentScale_Set=100; /设定初始电流比为1:1 ScaleSelect=0; VoltagePISelect=0; for(;) /-稳压程序- ADResult=ADConversion(AD_Voltage); switch(VoltagePISelect) /电压PI调节程序 case 0: if(ADResult64) /累积误差达到一定程度，就调节占空比 LED1=LED_ON; u8i=VoltageRefGap2/64; if(PWM1D+u8i)VoltageRef)VoltagePISelect+;VoltageRefGap2=0; break; case 1: if(ADResult(VoltageRef+1) /若反馈电压比设定的基准高，则开始减少占空比调节 VoltageRefGap=ADResult-VoltageRef; VoltageRefGap2+=VoltageRefGap; /对反馈误差累积， if(VoltageRefGap264) /累积误差达到一定程度，就调节占空比 LED1=LED_ON; u8i=VoltageRefGap2/64; if(PWM1Du8i)PWM1D-=u8i;PWM2D-=u8i; else PWM1D=0;PWM2D=0; VoltageRefGap2=0; else if(ADResultCurrent13A) /若发现总电流大于1.3A ScaleSelect+;break; CurrentScale_Set=100; OneToOne(ADResultC1+15,ADResultC2); break; case 1: /电流1.5A if(ADResultCACurrent17A) /若发现总电流大于1.7 ScaleSelect+; CurrentScale_Set=50; ADResultC1=ADResultC1*2; OneToOne(ADResultC1+23,ADResultC2); break; case 2: /电流1.5A3.5A LED3=LED_ON; if(ADResultCACurrent37A) /若发现总电流大于3.7 ScaleSelect+; ADAdjust=ADConversion(AD_Adjust)1; if(ADAdjust500)u32i=500; else u32i=ADAdjust; ADAdjust=(unsigned int)(u32i*ADResultC1)/100); OneToOne(ADAdjust,ADResul