课程设计（论文）-开关电源模块并联供电系统.doc

摘摘 要要 本开关电源模块并联供电系统的主电路采用 TI 公司的 DC/DC 芯片 TPS5430 设计制 作两路并联的 BUCK 型电源，24V 输入，8V 稳定输出，调节负载电阻阻值两路电流可 实现自动分配。控制装置采用 Silicon 公司的 C8051F340 单片机，利用可调节正电压稳 压器 LM317 将输入电压转换为 5V 电压为单片机供电，通过对输出电流和输出电压的采 样电路以及反馈电路实现对系统电流的自动分配以及稳压。 经测试，系统满足全部基本要求，在负载为额定输出功率状态下，直流输出电压约 为 7.9V 左右，供电系统的效率可达 72%左右，调整负载时输出电压可以达到稳定，输 出电流为 1.0A 时两路电流可以近似达到 1:1 分配，1.5A 时可达到 1:2 分配，输出电流的 相对误差绝对值不大于 5%，甚至可以达到 0%。 关键词：关键词：并联供电 TPS5430 C8051F340 电流分配 过流保护 1 目目 录录 1 1 系统方案系统方案 .2 2 1.1 方案比较与选择 .3 1.1.1 开关电源模块的比较 .3 1.1.2 控制器方案论证 .4 1.1.3 5V 电源电路方案论证 .4 1.2 实际系统方案描述 .4 2 2 理论分析与计算理论分析与计算 .5 5 2.1 DC/DC 变换器稳压方法 .5 2.2 电流电压监测 .6 2.3 均流方法 .7 2.4 过流保护 .7 3 3 电路设计电路设计 .7 7 3.1 主电路原理图及说明.7 3.2 测控电路原理图及说明 .8 3.3 +5V 供电系统原理图及说明 .9 4 4 测试结果测试结果 .9 9 4.1 测试数据 .9 4.1.1 基本部分 .9 4.1.2 发挥部分 .11 4.2 测试结果分析 .12 参参 考考 文文 献献 .1212 附录附录 .1313 附录附录 1 1 主要元器件清单主要元器件清单 .1313 附录附录 2 2 程序主要框图程序主要框图 .1414 附录附录 3 3 测试仪器设备测试仪器设备 .1313 附录附录 4 4 主程序清单主程序清单 .1414 2 1 系统方案系统方案 根据题目要求，本文主要设计制作一个开关电源模块并联供电系统，该系统主要包 括如下几个功能模块：DC/DC 主变换电路，5V 电源模块，单片机模块，电流电压检测 模块。下面对系统的实现方案分别进行论证并在此基础上构成本文实现的实际系统。 1.11.1 方案比较与选择方案比较与选择 1.1.1 开关电源模块的比较 方案一：基于分立元件的实现方法 使用开关电源设计中普遍使用的降压拓扑结构，通过 PWM 控制开关通断来控制电 源向负载转移。该方法电路简单，成本低，体积小。但是该实现方法要搭建一个 PWM 波产生电路，分立元件多，电路比较复杂。 方案二：采用 NSC 公司的 LM2596-ADJ 电源芯片 LM2596 是一款降压型的 PWM 调节方式的开关稳压电源芯片，内部振荡频率为 150KHZ，最大输出电流为 3A，最大输出电压为 40V，可以使用通用的标准电感，所以 极大简化了电源的设计，通常被用做恒压电源，由该芯片构成的可调输出典型电路如图 1 所示： 图 1 LM2596-ADJ 可调输出电路图 方案三：采用 TPS5430 开关电源芯片 DC/DC 转换电路使用开关电源芯片 TPS5430，其输出电压可调，最大输出电流可 达 3A，开关频率 500KHZ，电源效率高达 95%，负载调整率低于 0.1%，纹波低于 30mV，同时 TPS5430 的使能端 ENA 可以用来控制过流保护,由于本系统要求中涉及效 率问题以及过流保护问题，TPS5430 在此方面较有优势，图 2 是 TPS5430 的简单应用电 路图。 3 图 2 TPS5430 简单应用电路图 综合比较上述三个方案，我们在实际系统中选择方案三。 1.1.2 控制器方案论证 方案一：选用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机。 AT89C5 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容，51 系列单片机价格便宜，应用广泛，但其内存空间 小，集成资源少，调试较为繁琐。 方案二：选用 Silicon 公司的 C8051F340 单片机。 C8051F340 包含 64KB 闪存和 4KB RAM，包含大量 SoC 片上系统，包括片内上电 复位、VDD 监视器、电压调整器、看门狗定时器等，40 个 IO 端口可配置，指令执行速 度可达 48MIPS，远比 8051 单片机快速，持此之外，运用 Silicon 公司相应的寄存器配 置软件可以简单地配置寄存器的值，调试非常方便。 方案选择：考虑到系统的复杂性，选择方案二。 1.1.3 +5V 电源电路方案论证 方案一：采用稳压芯片 LM7805 组成电路产生固定 5V 输出。 该芯片内含过流、过热和过载保护电路，带散热片时，输出电流可达 1A，但 LM7805 的工作速度不太高,所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化响应慢。 方案二：采用稳压芯片 LM317 组成可调稳压电路。 通过设置两个外界电阻可以设置输出电压，连续可调，电压输出范围是 ,负载电流最大为 1.5A，线性调整率为 0.01，负载调整率为 0.1%，比标1.25V 37V 准的固定稳压器好，内置过载保护、安全保护等多重保护功能，内阻小、电压稳定、噪 声极低、输出纹波小，实际使用效果比 LM7805 稳压模组好。 方案选择：由于 LM317 较之 LM7805 有较多优点，选择方案二。 1.2 最终系统方案描述 主回路我们产用开关电源芯片 TPS5430 组成两个 BUCK 降压电路并联系统，通过 对两路输出电流以及输出总电压的 A/D 采样以及 D/A 反馈使两路输出电流达到可分配 以及稳压的作用，单片机采用 C8051F340，利用 LM317 电源转换电路为单片机提供 5V 电源，图 3 为总的系统示意图。 4 DC/DC主模块电流采样电压采样 单片机 模块 5V电源模块 A/D A/D D/A 5V 图 3 系统总体构架图 2 理论分析与计算理论分析与计算 2.1 DC/DC 变换器稳压方法 DC/DC 变换电路主要由芯片 TPS5430 构成的降压电路并联而成，单路电路图如图 4 所示： 图 4 TPS5430 降压电路 （1）输入电容的选择 图 4 中输入端的电容 C11 和 C12 为旁路电容以及滤波电容，通过旁路电容吸收瞬 间大电流和滤除高频噪声信号使芯片保持正常工作，芯片手册上推荐的电容值大小为 10uF，此处我们以两个 4.7uF 的电容进行并联，总电容为 9.4uF，也可以达到要求。除 此之外，为保证输出电压精度高，我们将此电容靠近 DC 转换芯片。 （2）电感的计算 电感 L1 的取值按公式（1）计算： （1） OUT(MAX)IN(MAX)OUT MIN IN(MAX)INDOUTSW V(VV) L VKIF 式中电流纹波系数取 0.2，=500kHZ 是开关电源的工作频率，求得 IND K SW F 8 (248) LH26.7uH 24 0.22 500 1000 5 考虑到电感量太小会引起电感的磁饱和，电感量太大会有很大的铜损和铁损，因此， 电感的合理取值对系统有直接的影响，本文设计的系统中，我们绕制了 30uH 左右的电 感。 （3）二极管的选择 普通的二极管正向压降比较大，同时，由于 TPS5430 的开关频率比较大，它的反应 速度也不够快，二极管会大量发热并且使 TPS5430 的输出波形受到影响，使得整个系统 效率降低，肖特基二极管同时拥有低压降和快恢复的特性，考虑到通过二极管的瞬态尖 峰电流可能达到 2A,系统中的二极管采用了肖特基二极管 SB360，它的反向耐压值为 60V，可承受的瞬态尖峰电流能达到 80A，管压降为 0.75V，完全能满足电路的要求。 实际使用中采用了两个 SB360 并联，可以减少导通电阻，增大输出电流。 （4）输出电容的计算 电容 C14 用公式（2）计算： 公式（2） OUT OUTCOOUT 1 C 3357LfV 其中，为闭环交叉频率，推荐值为 2590Hz，求得 CO f OUT -6 1 C479uF 3357 30 102590 8 为此输出电容取 470uF。 （5）电阻 R11、R12 构成反馈网络，将输出电压反馈到芯片的 Vsense 引脚，芯片自动 调节输出电压，保证充电器输出端输出电压恒定。公式（3）为输出电压与电阻之间的 关系： 公式（3） OUT R11 1.221 R12 V1.221 此处 R11 接 20K 电阻，要输出 8V 电压，经计算 R12 应调至 3.6k 左右。 在软件方面，通过对输出电压的采样以及反馈电路，利用 A/D 以及 D/A 可实现稳压 （见附录 3） 。 2.2 电流电压监测 两路电流 I1 和 I2 通过采样电阻将电流量转换成电压量，经电压增益为 20 的 MAX4073 芯片电路放大后接入单片机 I/O 口检测，之后通过 D/A 变换芯片 TLV5616 将 反馈信号输入 Vsense 端，从而微调两路输出电压，改变两路输出电流的大小，通过软 件编程，我们可实现两路电流的自动分配，图 5 是 MAX4073 的原理图设计，由于单片 机只能采样 3.3V 以下的电压，通过简单的电阻采样电路，我们可以对输出电压进行采 样检测，通过反馈实现电压的稳定输出。 6 图 5 MAX4073 原理图 2.3 均流方法 本系统的均流只用于两路输出电流所成比例为 1:1 时应用，通过 DA 反馈，软件编 程，对反馈量进行相应的微增或微减，直到电流大小达到平衡为止，由于单片机的速度 很快，所以调整过程持续时间很短，以及达到均流的目的。 2.4 过流保护 当输出总电流检测到为 4.5A 以上时，利用单片机编程给予 TPS5430 的使能端 ENA 低电平，使芯片停止工作，对电路起到保护的作用。延时一段时间后重新启动芯片工作， 具有自动恢复的功能。 3 电路设计电路设计 3.1 主电路原理图及说明 图 6 为系统主电路原理图： 图 6 主电路原理图 7 图为 TPS5430 芯片构成的两路 BUCK 降压电路的并联系统，图中留出了多个电流 电压的测试端子，方便系统测试时使用。图中的输入电容用于滤波，二极管采用肖特基 二极管，输出端电感和电容起到输出滤波作用，通过调节电阻 R11 和 R12 的阻值改变 输出电压的值。 在系统使用过程中，TPS5430 芯片容易发热，特别是当 2A 的电流通过时更需要注 意散热的问题，通过给芯片的第九管脚接地以及覆大面积的地进行散热，保护芯片不被 烧坏，图 7 是 TPS5430 的理想接线图。 图 7 TPS5430 的管脚图 3.2 测控电路原理图及说明 图 8 电流采样原理图 上图中的 text 端分别对应到 TPS5430 电压主模块的输出端采样电阻两端处，通过 8 MAX4073 以及采样电阻将输出电流值转换成适合单片机端口采样的电压值，图中芯片 的第一管脚为输出电压脚，连接到单片机相应的 I/O 端口，3 端 VCC 端为电源端，给予 电压范围为+3V+28V，由于输出端电压近似为 8V，可以直接相连。 输出电压则通过电阻分压电路用单片机采集降压后的数值，通过 D/A 转换芯片 TLV5616 将反馈信号加进反馈端（串接个电阻之后连接至 R11 和 R12（以及 R21 和 R22）之间） ，以此调整电流与电压值。 3.3 +5V 单片机供电系统原理图及说明 图 9 LM317 电压转换原理图 本模块由电源、滤波、保护、稳压等四个基本模块组成，滤波电路采用电容滤波电 路，由此得到比较平滑的直流电，C31 以及 C35 为 CBB 电容，滤除高频干扰，二极管 IN4007 可以防止输入输出短路，起到保护电路的作用。输出电压的公式计算为 ，其中固定为 270，通过调整的阻值为 810，使得 O3231 V1.25+RR （1（ 31 R 32 R 输出电压为+5V。 4 测试结果 4.1 测试数据 4.1.1 基本部分 （1） （2）调整输出负载为额定工作功率 32W，既输出总电流约为 4A 时测得的参数 表 1 额定输出功率下的参数 序号 IN U/ V IN I/ A O U / V O I / A O U -8 V O OININ U IUI 123.71.847.863.950.1471.2% 223.71.877.984.000.0272.0% 经测试，输出电压与标准输出电压 8V 的误差很小，达到的要求， O U =8.00.4V 输出效率达到 72 %左右，满足题目要求的 60%以上，达到第一条以及第二条基本要求。 （3）调整负载使得输出总电流为 1.0A 左右时各参数 相对误差绝对值的计算公式如下： 令 12r II2I 9 相对误差绝对值 1 I 1rr 1= III100% 相对误差绝对值 2 I 2rr 2= III100% 表 2 输出电流为 1.0A 时各个参数值 序号 O U / V O U8 / V O I / A 1 I / A 2 I / A 12 I / I1 / %2 / % 17.900.10.920.470.451.042.172.17 27.910.090.940.480.461.042.132.13 37.930.070.990.500.491.021.011.01 47.900.11.040.520.5210.000.00 57.940.061.100.550.5510.000.00 平均值7.9160.084_1.021.0621.062 经测试，输出电压与标准 8V 电压平均相差 0.084，远远符合的要 0 U8.00.4V 求，电流也很好地近似自动分配成 1:1 的比例，每个输出电流的相对误差绝对值都优于 指标的低于 5%的要求。 （4）调整负载使得输出电流为 1.5A 时各参数 相对误差绝对值的计算公式如下： 令 12r II3I 相对误差绝对值 1 I 1rr 1= III100% 相对误差绝对值 2 I 2rr 2= I2I2I100% 表 3 输出电流为 1.5A 时各个参数值 序号 O U / V O U8 / V O I / A 1 I / A 2 I / A 12 I / I1 / %2 / % 17.900.11.430.710.720.98649.224.2 28.050.051.490.510.980.522.6171.309 38.060.061.560.501.060.4723.841.92 47.840.161.730.561.170.4791.751.74 平均值7.980.09_0.4902.741.66 10 经测试，第一组数据由于较小于 1.5A,所以电流比还是 1:1，计算平均值时这一组数 据不列入计算，输出电压与标准 8V 电压平均只相差了 0.09V，远远符合 的要求，电流也近似很好地自动分配成 1:2 的比例，每个输出电流的相 0 U8.00.4V 对误差绝对值都不大于 5%，优于要求完成指标。 4.1.2 发挥部分 （1）额定输出功率工作状态下，采用以下几种方法提高供电效率： A.选用阻值较小的采样电阻，减小采样电阻上的损耗； B.续流二极管选用更低压降的肖特基二极管，降低续流损耗； C.改善电感的绕制工艺，使用多股铜线并绕，降低趋肤效应和铜损。 （2）过流保护与自动恢复 将可变负载与电流表接入输出端，上电后，匀速减小负载阻值至过流，,给 TPS5430 的 ENA 端低电平，记下该点电流值，然后增大负载阻值，解除过流状态，看电路能否 恢复工作，经测试，过流保护的阈值电流为 4.51A，故障解除 5 秒后恢复。 （3）其他 输出电压的纹波峰峰值可通过公式计算，其 OUTIN(MAX)OUT PP IN(MAX)OUTSW ESRV(VV) V VLF 中=40m，=30uH，=500Khz，可求得14mV。经示波器观察，实际ESR OUT L SW F pp V 纹波电压为 20mV，数值小。 4.2 测试结果分析 经测试，系统能实现基本要求，在调整负载至额定输出功率工作状态时，输出电压 稳定在 8V0.4V，供电系统效率为 72%左右，大于题目要求的 60%的要求，调整负载 电压依旧可以稳定输出，并且依照电流的大小自动分配支路电流，误差都在要求的 5% 以内。 在测试负载额定功率时由于输出总电流太大，起初输出电流达到 2.7A 左右时输入 电压会被拉低，根本达不到 4A 输出电流，输出功率 32W 的要求，经过分析之后，在反 馈端接入了几个 104 电容，去除干扰，使得反馈信号稳定，最终成功达到要求，得到我 们的输出结果。 参参 考考 文文 献献 1康光华，电子技术基础.模拟部分.北京：高等教育出版社，2006.1 2黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计（第 2 版）.北京航空航天大学出版社， 2011 3 Sanjaya Maniktala. Switching Power Supplies A to Z. Newnes. July 6, 2006 4Abraham Pressman. Switching Power Supply Design, 3rd Ed. McGraw-Hill Professional. 11 March 26, 2009 5谭浩强. C 程序设计M. 北京：清华大学出版社，2005. 附录 附录 1 主要元器件清单 附录表 1 主要元器件清单 序号名称、型号、规格数量备注 1TPS54302开关电源芯片 2MAX4073FAXK-T2用于电流检测 3LM317T1稳压芯片 41N40072 5SB3604肖特基二极管 6TLV56162 75k、10k 电位器若干 8电阻电容若干 90.1uF 的 CBB 电容2 10精密电阻若干作为采样电阻 11C8051F340 单片机模块1 12电感约 30uH2自绕 附录 2 程序主要流程图 12 开始 系统初始 化 电流采样 DAC输出控 制信号 输出电压 采样 延时5s 禁止TPS5430 工作 电压 （7,6V8.4V ）? 过流？ I1,I2电流符合 比例? DAC微调两 路压差 Y N N Y N Y 附录图 1 程序主要流程图 附录 3 测试仪器设备 附录表 2 测试仪器设备 序号名称、型号、规格数量备注 1直流稳压电源 DF1731SLL3A1中策 2数字万用表 MS8200G1深圳仪表 3U1732A1Agilent 附录 4 主程序清单 #include / SFR declarations #include #include intrins.h #include main.h #include Display_5110.h #include Set_Value.h #include DAC_5616.h sfr16 ADC0 = 0 xBD; / 10-bit ADC0 result sbit Led1=P22; /系统开始指示灯 sbit Led2=P23; /AD 采样快慢指示灯 sbit showout=P27; /连接 TPS5430 使能端，过流保护 #define ANALOG_INPUTS 4 /AD 采样通道数 #define INT_DEC 70 /Integrate and decimate ratio uint Vs1; /第一个 DAC uint Vs2; /第二个 DAC 13 sbit showout1 = P33; sbit showout2 = P36; bit off; float Radio; extern bit change; unsigned int Vs; extern unsigned int Imax; long RESULTANALOG_INPUTS; / ADC0 decimated value, one for each / analog input unsigned char idata PIN_MUX_TABLEANALOG_INPUTS = 0 x04,0 x0A,0 x08,0 x09; /0 x04P2.5 AD 采样通道 0 x0AP3.7 0 x08P3.4 0 x09P3.5 unsigned char AMUX_INPUT = 0; / Index of analog MUX inputs void main (void) Init_Device(); /单片机初始化 LCD_init(); /液晶初始化 LCD_clear(); showout1=1; showout2=1; Imax=1800; Radio=0.2; Vs=500; /输出电压初始值 LCD_write_chinese_string(18,0,12,3,0,6); LCD_write_english_string(0,2,Freq: 500 kHz); LCD_write_english_string(0,3,Set Imax= mV); display(48,3,Vs,0); /数据显示 Vs1=Vs*2; Vs2=Vs*2; DAC(Vs1); DAC_1(Vs2); EA = 1; / Enable global interrupts AD0EN = 1; / Enable ADC0 off=0; Led1=0; while (1) Adjust_freq(); if(change=1) change=0; Led2=0; Vs1=Vs*2; Vs2=Vs*2; DAC(Vs1); /调用数模转换输出子程序 14 nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); LCD_clear(); LCD_write_chinese_string(18,0,12,3,0,6); LCD_write_english_string(0,2,Freq: 500 kHz); LCD_write_english_string(0,3,Set Imax= mA); display(48,3,Vs,0); /数据显示 EA=1; void ADC0_ISR (void) interrupt 10 static unsigned int_dec = INT_DEC; / Integrate/decimate counter / A new result is posted when / int_dec is 0 / Integrate accumulator for the ADC samples from input pins static long accumulatorANALOG_INPUTS = 0 x00000000; static unsigned long measurementANALOG_INPUTS = 0 x00000000; unsigned int j,k; unsigned char i; / Loop counter int I1,I2; EA=0; AD0INT = 0; / Clear ADC conversion complete / overflow if (AMUX_INPUT = (ANALOG_INPUTS - 1) AMX0P = PIN_MUX_TABLE0; else AMX0P = PIN_MUX_TABLEAMUX_INPUT+1; accumulatorAMUX_INPUT += ADC0; / Read the ADC value and add it t