2011年电子设计竞赛设计报告(A题).doc

2011年全国大学生电子设计竞赛设计报告开关电源模块并联供电系统（A题）2011年全国大学生电子设计竞赛设计报告开关电源模块并联供电系统（A题）摘要本次设计的开关电源模块并联供电系统由两个LM2596进行DC/DC变换，用8051单片机作主控芯片。输入DC 24V，输出DC 8.0V，额定输出功率为32W，采用对等互补均流方式进行电流自动分配输出，具有过流和短路保护功能，系统转换效率达到70%以上。关键词：DC/DC变换，并联供电系统，开关电源AbstractThe design of the switching power supply module consists of two LM2596 in parallel power supply system for DC / DC converter, with 8051 as main chip. Input DC 24V, output DC 8.0V, the rated output power of 32W, the application of the complementary stream are automatically assigned to the current output, with over-current and short circuit protection, system conversion efficiency of 70%.Keywords: DC / DC converter, parallel power supply systems, power 目 录1 方案论证与比较3方案一 恒流控制法3方案二 外部电路控制法3方案三 对等互补分流法32 系统设计与分析42.1总体框架分析42.2 单元电路设计42.2.1 降压电路设计42.2.2采样放大电路设计52.2.3 A/D转换模块设计52.2.4 控制模块设计52.2.5 负电压产生电路设计53 理论分析与计算53.1 DC/DC 变换器稳压63.2 电流电压检测63.3 均流方法63.4 过流保护64 软件设计65 系统测试75.1 测试仪器75.2 测试方法75.3 测试数据76 结论9参考文献10附录111 方案论证与比较方案一 恒流控制法图1 恒流控制示意图系统由第二个LM2596接收到10K的电位器的反馈电压，实现恒流输出，不足的功率由第一个LM2596互补输出，实现电流分配。优点：电路简单，稳定。缺点：电流比例不稳定。结论：只能完成基本部份，方案不可取。方案二 外部电路控制法采用两个DC/DC电源模块组成，在每一个输出模块加一个电流检测电路，产生反馈信号来调节每个模块的电流，从而达到均流的目的，该方案均流效果好，但是每个单元需附加一个电流控制电路，成为控制环路的一部分，需满足环路的总体要求，否则会降低单元的技术指标及工作稳定性，降低系统的动态响应特性。优点：均流效果好。缺点：电路复杂，稳定性较差。结论：从稳定性上考虑，方案不可取。方案三 对等互补分流法系统由恒压输出模块和电流互补模块组成，让两个模块的输出电流分别流经两个0.1水泥电阻，然后采样水泥电阻两端的电压，经过运算放大器放大电压后，使用A/D模块（ADC0804）将模拟信号转换为数字信号传输给单片机，经过单片机运算后转换成电流，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来反馈给电流互补模块来实现电流互补，并按比例输出。优点：输出稳定，代码执行效率高，调试简单，能够进行电流自动分配。缺点：电路复杂，运放放大器需要负电压供电。结论：综合考虑，该方案能实现题目要求，方案可行。2 系统设计与分析2.1总体框架分析图2 总体原理框图系统由恒压输出模块和电流互补模块组成，让两个模块的输出电流分别流经两个0.1水泥电阻，然后采样水泥电阻两端的电压，经过运算放大器放大电压后，使用A/D模块（ADC0804）将模拟信号转换为数字信号传输给单片机，经过单片机运算后转换成电流，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来反馈给电流互补模块来实现电流互补，并按比例输出。2.2 单元电路设计2.2.1 降压电路设计降压电路部分采用LM2596芯片实现，为后续电路工作提供所需的电源。如图3所示。LM2596具有很好的线性和负载调节特性。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，极大地简化了开关电源电路的设计。而且具有自我保护电路，输出电压在1.2V37V可调，输出电流可高达3A，输入电压可达40V。本系统中LM2596输入DC 24V电源，输出 8.0V （=1.23V）图3 LM2596降压电路示意图2.2.2采样放大电路设计让两个DC/DC模块的输出电流分别流经两个0.1水泥电阻，然后采样水泥电阻两端的电压，经过运算放大器放大，实现电压采样。2.2.3 A/D转换模块设计A/D转换模块使用ADC0804实现，ADC0804从采样电路得到信号后将其转换为数字信号并提供给51单片。图4 ADC0804数据转换电路示意图2.2.4 控制模块设计控制部分使用51单片与CD4066结合实现电路的自动控制。51单片接受到来自ADC0804的信号后，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来反馈给电流互补模块来实现电流互补，并按比例输出。详细控制图见系统总原理图。2.2.5 负电压产生电路设计负电压产生电路使用LM2596完成，产生一个-5V电源给运算放大器供电。3 理论分析与计算3.1 DC/DC 变换器稳压DC/DC变换器稳压模块选用的芯片是LM2596，它是一款降压型开关电源芯片，内部集成PWM控制电路，通过接收到第四引脚的反馈来调节占空比，输出端由电感和电容虑波，从而输出稳定的DC-8V电源。3.2 电流电压检测电流检测是由电流经过0.1欧的水泥时电阻两端产生的压降U=I*0.1 ，然后再经过运放来进行放大20倍，最后经过电压跟随器出来的电压虑波后输给AD0804读取电流值。3.3 均流方法ADC0804将模拟信号转换为数字信号并传输给单片机，经单片机运算后转换成电流，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来实现电流调节，实现按比例输出，在电流1A以下，可自动调整为1:1电流输出；在1A1.5A之间实现1:2电流输出；在1.5A3A之间，可以手动调节使电路输出电流为任意比；在3.5A4.5A时，在控制下自动恢复到自动控制模式，并以1:1输出电流；当电流大于4.5A时，单片会控制相应开关断开电路，起到自动过流保护。3.4 过流保护 过流保护以51单片为核心，通过采样输出电流给A/D变换电路，然后将变换得到的数据传输给51单片，由51单片计算、判断输出电流的值，若大于4.5A则给LM2596的EN端一个高电平信号，使其停止输出，达到过流保护的目的，当系统检测到电流小于4.5A时恢复输出。如图5所示。图5 过流保护原理图4 软件设计程序流程图如图5所示。图5 程序流程图5 系统测试5.1 测试仪器测试使用的仪器设备如表1所示。表1 测试使用仪器与设备序号仪器名称主要技术指标1直流可调稳压电源0V-30V2数字万用表3位半3指针万用表500mA5.2 测试方法接入负载（变阻箱）后接通电源，调节负载至需要阻值，用万用表测试输入电流、电压与输出电流、电压，并计算系统效率，具体数值见测试数据。5.3 测试数据a.基本要求：（1） 调整负载电阻在2欧姆，输出总电流是4A，I1=2A,I2=2AU0(V)标准U0(V)7.88.0V0.2（2）效率测量输入电压(V)输入电流(A)输出电压（V）输出电流（A）效率241.817.8471.82%（3）调整负载，输出电流总和I0=1.0AU0标准U0U08.04V8V0.04VI1标准I1|I1/ 500mA|498mA500mA0.4%I2标准I2|I2/ 500mA|508mA500mA1.6%（4）调整负载，输出电流总和I0=1.5AU0标准U0U07.88V8V0.02VI1标准I1|I1/ 500mA|496mA500mA0.8%I2标准I2|I2/1000mA|1009mA1000mA0.9%b.发挥部分（1）调整负载电阻，输出电压U0=8.00.4VI0(A)I1:I2I1(A)|I1/I1|I2(A)|I2/I2|理论值实测值理论值实测值1.51:20.50.501102.01:1.50.80.801.21.181.6%2.51:11.251.2501.251.2503.01.5:11.81.790.5%1.21.190.8%3.52:12.332.3301.171.151.7%(2)调整负载电阻，输出电压U0=8.00.4V，I0=4.0AI1(A)|I1/2A|I2(A)|I2/2A|1.981%2.010.5%(4)调整负载电流至电路停止工作。阈值电流|阈值电流-4.5A|4.5A06 结论本系统能较好的完成基本部分和发挥部分，输出电压8V，均流效果好，误差在1.7%以内，工作状态稳定，过流及短路保护准确，具有过热保护功能，转换效率达71.82%。 参考文献1杨素行，模拟电子技术基础简明教程，第三版，高等教育出版