第九组设计报告.doc

2011年全国大学生电子设计竞赛开关电源模块并联供电系统（A题）2011年9月3日摘要MC34063本身包含了DCDC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DCDC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。关键词：DC-DC；MC34063；开关电源；模数转化；Buck电路AbstractThe MC34063A Series is a monolithic control circuit containing the primary functions required for DC-to-DC converters. These devices consist of an internal temperature compensated reference, comparator, controlled duty cycle oscillator with an active current limit circuit, driver and high current output switch. This series was specifically designed to be incorporated in Step-Down and Step-Up and Voltage-Inverting applications with a minimum number of external components. Refer to Application Notes AN920A/D and AN954/D for additional design information.Keyword：DC-DC; MC34063; Switching Power Supply; AD Convert; Buck Circuit.开关电源模块并联供电系统（A题）一、方案论证与比较1.1 DC-DC主回路拓扑的方案选择 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：升压式DCDC变换器图1是由MC34063A组成的升压式DCDC变换器。电路的输入电压为+12V，输出电压为+28V，输出电流可达175mA。电路中的电阻Rsc为检测电流，由它产生的信号控制芯片内部的振荡器，可达到限制电流的目的。输出电压经R1、R2组成的分压器输入比较器的反相端，以保证输出电压的稳定性。本电路的效率可达892。如果需要，本电路在加入扩流管后输出电流可达1.5A以上。方案二：降压式DCDC变换器电路图2由MC34063A组成的降压式DCDC变换器电路。电路的输入电压为25V，输出电压为5V500mA。电路将1、8脚连接起来组成达林顿驱动电路，如果外接扩流管，则可把输出电流增加到1.5A。当电路中的电阻Rsc选择0.1时，其限制电流为1.1A。本电路的效率为82。5。方案三：电压反转式DCDC变换器图3是由MC34063A组成的电压反转式DCDC变换器。输入电压为4.56.0V，输出电压为-12V100mA。此电路的限制电流为910mA。外接扩流管可将输出电流增加到1.5A以上。电路效率为64.5。它的输出电压决定于： ，1.25为芯片内部产生的参考电压。通过计算，选取适当的R1和R2值，就可得到不同的电压输出范围。由于本题只需降压，综合以上三种方案，选择方案二。1.2 控制方法的方案选择方案一：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。负载电流在康铜丝上的取样经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。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。方案二：采用MC34063，MC34063芯片内部比较器比较输出取样反馈电压及阈值电压，输出通过与门控制S-R触发器置位端S，进而驱动开关管T2（T1）。7脚是电流感应检测端，通过电流取样电阻Rsc监控电路工作电流。若工作电流过大，则内部振荡器停振，并输出低电平至S-R触发器复位端R，同时通过与门封S-R触发器置位端S，使S-R触发器停止驱动T2（T1）。内部振荡器仅需一个外接定时电容，就可方便的进行振荡频率的设置。内部基准电压源精度很高，变化范围仅为1.18V1.32V，典型值为1.25V。内部驱动管T2、开关管T1可接成达林顿管形式，进行大电流驱动变换。 综合考虑以上方案，选择方案二。1.3 电流工作模式的方案选择方案一：电流连续模式。电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。方案二：电流断续模式。断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。鉴于以上分析，本设计采用方案二。1.4 均流方案论证与选择 方案一：下垂法 （Droop）下垂法（又叫斜率法）是最简单的一种均流方法，电路结构如图5 。其原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。由图6可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。但此方法小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善；对本系统而言，我们希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法只适合应用在均流精度大于或等于10的场合；很难达到 5%的均流效果。因此这种方法不宜选取。 方案二：主从均流法 主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，其余的为从模块，从两个模块上分别上获取电流信号。将信号放大之比较之后，反馈回从属模块，以控制其占空比的方式，获取预设比例的电流，采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少。综合考虑对于本系统只有两路电源，而且又采用 DC/DC 芯片设计，系统不定因素少，所以可靠性很高，又主从均流法精度很高，设计简单，成本低，所我们采用方案二实现均流。1.5 效率 影响效率的因素主要包括单片机及外围电路功耗，单片机及外围电路供电电路的效率和DCDC变换器的效率。二、详细软硬件分析2.1 整体设计：调节负载改变输出电流，AD检测电路中的电阻的电压发生变化，通过AD进行模数转换，将模拟量转换为数字量，传给单片机，单片机发送指令控制继电器的通段，从而改变DC-DC中取样电阻的大小，进而改变输出电流的大小，实现两端电流的比例关系。由于本设计对效率的要求比较高，所以在设计时尽量选用低功耗的单片机，而且单片机的外围电路要尽量少，本系统外围电路只有显示，A/D，继电器，DC-DC模块，这样可以提高效率。2.2理论分析及硬件核心电路如下：2.2.1 DC模块：如图8以Mc34063接成降压开关电源电路，为达到2A额定电流，我们在原电路芯片开关管发射极接入2n3055大公率扩流三极管，续流二级管采用正向压降小的1n5819肖特基三极管。2.2.2 单片机自动控制模块本模块采用AT89C51单片机作为控制核心，在负载接地端串联一个0.1欧的取样电阻，通过ADC0832芯片获取电阻上的电压，根据I=U/R,可知负载电流大小，当I=1A时,系统进入1:1均流模式，当I=1.5A时，进入1：2均流模式。如图9.2.2.3 均流模块：在本模块中，图10.我们采用op-471精密运放芯片，R1、R2分别为两个DC模块的取样电阻，DCINPUT 1、DCINPUT 2分别是两个DC开关电源的输出端口，当我们需要主从模块n:1电流时，只需让由单片机控制继电器调整R1：R2=1：n，若电流有所偏差，则通过继电器关闭DC从属模块，以达到减小占空比的，减小从属DC模块电流的目的，当电流满足比例，两运放差分输入相等，比较器输出0，完成均流。三、系统调试调试过程共分三部分：硬件调试，软件调试，软硬件联调。3.1硬件调试：3.2软件调试：3.3 软硬联调：四、指标测试4.1测试仪器DT930F+4位半数字万用表；34401A六位半数字万用表.4.2 指标测试4.3 系统对题目的完成情况：表4 系统对题目的完成情况对照表基本部分要求实现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 U =8.0 0.4V。 符合要求额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60% 符合要求调整负载电阻，保持输出电压 U 0=8.0 0.4V，使两个模块输出电流之和I0=1.0A 且按 I :I =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%。 实现要求调整负载电阻，保持输出电压 U 0=8.0 0.4V，使两个模块输出电流之和I0=1.5A 且按 I 1 :I2 =1:2 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%。 实现要求发挥部分调整负载电阻，保持输出电压 U =8.0 0.4V，使负载电流I 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%。实现要求4.4 结果分析： 各项结果都符合系统指标，产生误差的原因包括：两个不同地之间的干扰等。五、结论经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的大部分要求，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、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。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，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，20052 陈永真等。硬件电路设计精解。北京：电子工业出版社，20113 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、 附件7.1 电路图图1 MC34063A组成的升压式DCDC变换器图2 MC34063A组成的降压式DCDC变换器电路图3 MC34063A组成的电压反转式DCDC变换器图4图5 电路结构 图6 特性曲线DC-DC负载AD检测单片机最小系统显示继电器控制电源图7 整体设计图8 DC模块图9 单片机自动控制模块图10 均流模块7.2 实验代码代码#includesbit bADcl = P2 7;/ADC0832控制sbit bADda = P2 6;sbit bADcs = P2 5; #define _rrca_() CY = ACC & 0x01 /产生RRC A指令#define _rlca_() CY = ACC & 0x80 /产生RLC A指令bit choose = 0;unsigned char x;sbit 1_1output=P00;sbit 1_2output=P01;/void Delay(unsigned char a)/延时程序unsigned char j; while(-a != 0)for (j = 0; j 0; i- ) bADda = 1; bADcl = 1; bADcl = 0;/pulse CY = bADda;_rlca_(); /RRC A /CY = ACC & 0x80 B = ACC;for(i = 8; i