11年A题实验报告(开关电源模块并联供电系统).doc

2011年全国大学生电子设计竞赛 【本科组】 开关电源模块并联供电系统（A题） 摘 要：本作品是基于被广泛应用在小功率及各种电子设备领域的开关电源而设计的开关电源并联供电系统。系统以C8051F020单片机为控制模块，主要包括恒流恒压产生及采样模块，辅助电源模块，LCD及矩阵键盘模块。设计的系统能够输出8V恒压，功率可达到16W。并根据要求对两路电流进行按比例分配，采用一路恒压源、一路恒流源，通过反馈和均流的方法实现。关键词： 开关电源 并联供电 恒压输出 定比分流Abstract: This circuit design is based on the widely use of switching power supply in small power and a variety of electronic equipment. This system take the C8051F020 as the control core, the system mainly consists of the constant current and sample circuit, the constant voltage and sample circuit, the auxiliary power supply circuit and the display and matrix keyboard circuit. It is a design of switch power supply in parallel system which can provide 8V constant voltage. And its power can reach 16Watt. With the use of the constant voltage and current circuit and the method of feedback and current sharing, it can reach the requirements of two current proportional distribution. Key Word：switching power supply parallel power supply constant voltage output fixed ratio current division 目录摘 要：11. 系统设计11.1设计要求11.1.1设计任务11.1.2技术指标11.2方案比较与选择21.2.1DC/DC降压控制模块方案比较21.2.2过流保护方案比较31.2.3系统电路工作电源解决方案31.3方案论证32.单元电路设计及参数计算42.1恒压源模块42.2恒流源模块53. 软件设计73.1程序总体流程图73.2程序清单（见附录2）74.系统测试74.1测试仪器74.2测试方案84.3测试结果85. 结束语9参考文献10附录10附录1 主要元器件清单10附录2 程序清单111. 系统设计1.1设计要求1.1.1设计任务设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8V DC/DC模块构成的并联供电系统（见图1.1.1）。 图1.1.1 两个DC/DC模块并联供电系统主电路示意图1.1.2技术指标（1）基本要求1 调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压=8.00.4V。2 额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60% 。3 调整负载电阻，保持输出电压=8.00.4V，使两个模块输出电流之和=1.0A 且按:=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%。4 调整负载电阻，保持输出电压=8.00.4V，使两个模块输出电流之和=1.5A 且按:= 1:2 模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。（2）发挥部分1 调整负载电阻，保持输出电压=8.00.4V，使负载电流在1.53.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.52.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。2 调整负载电阻，保持输出电压=8.00.4V，使两个模块输出电流之和 =4.0A 且按:=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于2%。3 额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。4 具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有0.2A 的偏差）。5 其他。1.2方案比较与选择1.2.1DC/DC降压控制模块方案比较方案一：采用MC34063AMC34063A芯片的优点是使用简单，价格比较便宜；其缺点是最大可输出电流为1.5A，题目发挥部分要求负载电流可达2A。所以需在输出端扩流，即在2端口接三极管，经测试发现扩流后电路输出效率低，电压不稳定且MC34063A内置比较器开换工作，占空比不稳定，容易出现单脉冲反复震荡的情况。方案二：采用LTC3855LTC3855是Linear Technology Corporation推出的双输出高效率（高达95%）同步降压型DC/DC控制器，该器件具有多相工作模式、差分输出电压采样和集成的锁相环同步。LTC3855全部采用N沟道MOSFET，在4.5V-38V的输入电压范围内工作，可产生0.75%准确度和0.6V-12.5V的输出电压。通过监控输出电感器（DCR）两端的压降或使用一个采样电阻，可以对输出电流采样。可编程设定的DCR温度补偿在一个宽温度范围内保持准确恒定的电流性质，可提供精确的电流分配。但此芯片性价比较低，且采购不易。 方案三：采用LM2596LM2596输出电压1.2V-37V可调，输出最高电流可达3A，输出线性好负载可调，系统效率高，可以用仅80A的待机电流，实现外部断电，具有自我保护电路，经调节后完全可实现题目的要求。基于实际测试，经综合考虑，最后选择方案三。1.2.2过流保护方案比较方案一：通过恒流采样模块ADC1得到，通过恒压采样模块ADC2得到。将经A/D转换模块电流值反馈给单片机，计算得总电流=+。，当检测电流值超过4.5A时拉高LM2596芯片的5脚的电位，即能使DC/DC模块停止工作，起到过流保护的作用。延时一段时间后，再检测的值，若小于4.5A，则将LM2596的5脚拉低，即可实现自动恢复功能。方案二：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于4.5A时，自恢复保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路。电流降低后可恢复正常工作。为实现发挥部分的功能，必须要用到单片机进行控制。且用到的LM2596芯片本身具有自动保护的功能，因此直接选用方案一，这样还能简化部分硬件电路。1.2.3系统电路工作电源解决方案为符合本次设计的要求，特别是满足单片机及运放的供电需求。先采用两个可调的DC/DC模块，实现24V转5V，24V转12V。1.3方案论证该系统由两个开关电源并联而成，其中一个电源做电压源稳定电压，另一个电源做电流源补偿电流（如图1.3）。芯片主干稳压芯片选用LM2596，它自带硬件闭环调节功能，可以通过4号管脚返回的反馈值自动调节输出的大小。电源电压不变，在电路中调节负载电阻值，使达到指定值。单片机根据所需比例计算电流源折合所需电流，由DAC反馈给4脚，使电流源输出合适的电流。例如：所需=1A，比例，则通过单片机给DAC管脚输出0.5V，使电流源输出电流稳定在0.5A，此时，负载两端由于电压源作用依旧保持8V，而电压源输出电流由于受电流源补偿作用，输出变为（1A-0.5A=0.5A），此时，符合题目要求。 恒压电流采样24VADC1恒压模块LCD和键盘C8051F020单片机DAC0ADC0恒流模块恒流电流采样 图1.3系统整体框图 2.单元电路设计及参数计算 2.1恒压源模块 参考LM2596 的datasheet中应用实测电路图，输出电压的计算可由下式给出： ， 其中 =1.23V，。 为了确保输出稳定， R1 选用标称阻值为 1K，精度为 1%的电阻。计算得R2=5.6K。 图2.1.1恒压源产生模块电路设计 图2.1.2 恒压采样模块电路设计2.2恒流源模块在电压源的基础上，对采样及反馈进行修改。采样电阻阻值为0.1，采用LM324芯片对电流信号进行10倍精确放大，处理后信号回输到LM2596的4号管脚，形成闭环调节。如图2.2.1所示，运算放大器倍数=， 调节R10，即可使运算放大倍数=10。 图2.2.1 同相比例运算电路 图2.2.2恒流源产生模块电路设计 图2.2.3恒流采样模块电路设计3. 软件设计3.1程序总体流程图图.程序总体流程图3.2程序清单（见附录2）4.系统测试4.1测试仪器台式万用表，型号：UT802，测试精度：0.001V/0.1A程控直流电源，型号:MPD-3303，精度：0.1V4.2测试方案 由于系统对电路效率有一定的要求，所以需要测量输入端、输出端电压、电流，方便检测支路电流比，需要对支路电流进行检测。根据电路的示意图，从电路中各点引出接线端子，电压测量可以直接在被测点两端并联，用来检测并记录分析供电系统各个指标。Uo被测系统电压源电流源负载稳压源UinIinIoI2I1 图4.2系统测试方案示意图4.3测试结果（1） 基本要求部分a.额定功率下： 表1系统效率7.736V4.010A2.013A2.021A24V1.58A81.81% b.输出电流1A(电流比1:1)： 表21.00A0.501A0.503c.输出电流1.5A(电流比1:2)： 表31.500.500A0.981（） 发挥部分a.自动电流任意比例分配 表 4电流比例 ：3.501.4911.972243:4额定功率输出，=7.736V，=4.010A，：=2.013:2.0211:1，相对误差分别为0.65%和1.05%，均符合要求。=24V，=1.58A，系统效率为。b.自我保护电流测量自我保护电流为=4.5A，能够自动恢复。5. 结束语本设计利用LM2596芯片设计了恒流模块和恒压模块，以构成开关电源模块并联供电系统。采用C8051F020单片机进行ADC，DAC，按键和LCD显示的处理，完成了发挥部分。 在系统设计的过程中，我们遇到了很多问题，比如恒流源反馈部分没有工作，额定功率下的分流没有按照1:1的比例进行分配，利用单片机实现保护功能时IO口的驱动能力不够，不能驱动LM2596的5脚等。通过小组成员间的交流讨论、仔细分析最终解决了上述问题。在这个过程中，我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，并且也提高了自己发现问题、解决问题的能力。由于时间仓促，供电系统的效率做到的为81.81%，在硬件电路芯片的选择上进行优化，应该会使供电系统的效率有进一步的提高。参考文献1 童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版)M.北京:高等教育出版社,20062 肖看,李群芳.单片机原理、接口及应用嵌入式系统技术基础(第二版)M.北京:清华大学出版社,20103 黄智伟,王彦,陈文光,朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程(修订版).北京:电子工业出版社,2010附录附录1 主要元器件清单（1） LM2596 2片（2）C8051F020 1片（3）LM324 2片（4）滑动变阻器（10,4.5A） 1个（5）0.1采样电阻 2个（6）1K,4.7K,5.6K,10K,100K,470K,510K电阻，精度1% 若干（7）2K，10K变位器 2个（8） 电感33H 2个（9） 电容 50V/470F, 25V/330F 2个（10） 电容102,104,334 若干（11） IN4148 2个（12） IN5822 2个（13） DSN2596电源模块 2个（14） LCD及矩阵键盘 1个 附录2 程序清单main.c/* 本程序为双路ADC送LCD实时显示。 ADC0输入管脚为AIN1 (第10脚 AIN0.1) 测恒流的采样电流; ADC1输入管脚为P10 (第27脚 AIN1.0) 测恒压的采样电流;*/#include C8051F020.h#include DataType.h#include init.h#include key.h#include lcd.hsfr16 ADC0 = 0xBE;sfr16 DAC0 = 0xD2;sfr16 DAC1 = 0xD5;sbit P20=P20;sbit P00=P00;/unsigned char xdata sample0100=0;/unsigned char xdata sample1100=0;float I1_Value=0,I2_Value=0,I0_Value=0;void KeyPressedHandler (); /按键检测函数void KeyPressedHandler1 ();void Clear_LCD_all(void);/屏幕处理函数void main(void) int i;WDTCN = 0xde; / Disable watchdog timer WDTCN = 0xad;Init();LCD_Init (); /液晶屏初始化KeyPort_Init (); /键盘初始化 EA = 1; Clear_LCD_all();LCD_DispStrAt (开关电源并联供电, 1, 1);LCD_DispStrAt (恒流源I1:,2,1);LCD_DispStrAt (恒压源I2:,3,1);LCD_DispStrAt (总电流I0:,4,1);while(1)for(i=0;i1000;i+);EA = 0;I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L;I2_Value=ADC1*16;I0_Value=I1_Value+I2_Value;LCD_DispStrAt (开关电源并联供电, 1, 1); LCD_DispStrAt (恒流源I1:,2,1); LCD_DispStrAt (恒压源I2:,3,1); LCD_DispStrAt (总电流I0:,4,1);LCD_DispFloatNumberAt (I1_Value*2.421/4095, 3, 2, 6); /3表示保留三位小数LCD_DispFloatNumberAt (I2_Value*2.421/4095, 3, 3, 6);LCD_DispFloatNumberAt (I0_Value*2.421/4095, 3, 4, 6);EA = 1; if(I0_Value = 3380) / I0_Value= 5070&I0_Value = 6253) / 3V = I0_Value = 6422&I0_Value 7098) / 3.8V = I0_Value = 7605) / I0_Value= 4.3V DAC1=4095; while(DAC1=4095) for(i=0;i30000;i+);for(i=0;i30000;i+);for(i=0;i30000;i+);I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; if(I0_Value 7605) / I0_Value = 4.3V DAC1=0; else DAC0=3887; / I0_Value为其他值时反馈DAC0为2.3A void ADC0_ISR(void) interrupt 15ADC0CN&=0x20;/清除中断标志void ADC1_ISR(void) interrupt 17ADC1CN&=0XDF;/清除中断标志 void KeyPressedHandler1 ()switch (KeyScan ()case 1: while(1) I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; DAC0=I0_Value/2; / 1:1 break;case 2: while(1) I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; DAC0=I0_Value/3; / 1:2 break;case 3:while(1) I1_Value=(ADC0H 8) + ADC0L; I2_Value=ADC1*16; I0_Value=I1_Value+I2_Value; DAC0=(I0_Value/7)*3; / 3:4 break;case 4:while(1) I1_Value=(ADC