开关电源并联供电系统的设计PPT课件.ppt

1 前期主要内容 一 常用电力电子器件工作原理 特性 二 常用DC DC拓扑结构与工作原理 BUCK2 BOOST BUCK BOOST H Bridge 三 常用驱动技术 单管驱动 推挽驱动 浮地驱动 专用集成驱动 四 基本控制技术 PWM控制技术 单极性 双极性控制技术 五 PWM控制程序实现及反馈调节思路 3 19 2020 2 开关电源模块并联供电系统设计 一 系统设计的基本方法与教学目标 二 本系统的基本要求 三 系统分析与系统总体结构 四 主要单元电路的选择与实验 六 课题任务分配 五 控制程序流程 3 19 2020 3 一 系统设计的基本方法与教学目标 目的 使学生具有一定的项目设计经历 掌握项目设计基本方法 具有一定的项目设计的能力 3 19 2020 4 二 本系统的基本要求 任务设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC DC模块构成的并联供电系统 见图1 3 19 2020 5 二 本系统的任务与要求 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UO 8 0 0 4V 2 额定输出功率状态下 供电系统的效率不低于60 3 调整负载电阻 保持输出电压UO 8 0 0 4V 使两个模块输出电流之和IO 1 0A且按I1 I2 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UO 8 0 0 4V 使两个模块输出电流之和IO 1 5A且按I1 I2 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 基本要求 3 19 2020 6 1 调整负载电阻 保持输出电压UO 8 0 0 4V 使负载电流IO在1 5 3 5A之间变化时 两个模块的输出电流可在 0 5 2 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UO 8 0 0 4V 使两个模块输出电流之和IO 4 0A且按I1 I2 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 发挥要求 二 本系统的任务与要求 3 19 2020 7 三 系统任务分析与系统总体结构 当两个模块输出电流之和IO 1 0A 按I1 I2 1 1模式自动分配电流 基本要求 当两个模块输出电流之和IO 1 5A 按I1 I2 1 2模式自动分配电流 基本要求 关于电流的自动分配问题 当两个模块输出电流之和IO 4 0A 按I1 I2 1 1模式自动分配电流 发挥要求 要求不同 但实验现方法相同需要对两个模块输出电流采样 当它们输出的总电流达到任务要求的总电流条件时 控制每个模块电流 自动分配电流 3 19 2020 8 三 系统任务分析与系统总体结构 关于电流的手动分配问题 在负载电流IO在1 5 3 5A之间变化时 两个模块的输出电流可在 0 5 2 0 范围内按指定的比例自动分配 发挥要求 每个模块电流电流范围0 5 2 0 考虑到短路保护的测试 实际设计时最大电流应大于2 0 以问题 为基础 实现该任务的技术方法基本相似 需要相应的键盘输入电流指令 同时为使用户清楚输入的电流是否正确 应有显示功能 从功能上看 利用键盘可以实现任何电流指令要求 但从用户可控的角度看 应有手动与自动模式选择键 3 19 2020 9 三 系统任务分析与系统总体结构 关于输出恒压问题 保持输出电压UO 8 0 0 4V 需要对输出电压的采样与反馈 关于两个电压源模块并联与环流问题 每个DC DC模块均为一个独立的电源系统 从理论上说电压源不通允许并联 否则有可能因两个输出电压不一致 产生很大的环流 从而使系统产生很大的功率损耗 甚至烧坏系统 3 19 2020 10 三 系统分析与系统总体结构 5 系统总体结构框图 3 19 2020 11 四 主要单元电路的选择 1 DC DC拓扑结构的选择与需要解决的关键问题 1 DC DC拓扑结构的选择 降压型 BUCK斩波器 BUCK BOOST斩波器 CUK变换器 Full Bridge变换器 非隔离型DC DC变换器 隔离型DC DC变换器 正激式变换器 反激式变换器 Half Bridge变换器 集成专用恒流恒压变换模块 结合我们的实际 可以考虑选择BUCK变换结构 推挽变换器 3 19 2020 12 四 主要单元电路的选择 2 需要考虑的问题 关键器件的设计与选择 功率开关SW的选用 N MOSFET P MOSFET IGBT 续流二极管D的选用 普通整流管 快恢复二极管 储能电感L 滤波电容C组成的低通滤波器的设计 开关频率与驱动电路的选择 应注意的问题用单管驱动电路 推挽驱动 专用驱动集成电路 特别应注意MOS管分布电容对驱动速度的影响 两个DC DC模块并联 如何消除环流问题 3 19 2020 13 四 主要单元电路的选择 3 BUCK参考电路 基于BUCK的蓄电池充电电路 3 19 2020 14 四 主要单元电路的选择 2 输出电流 电压取样及放大电路的选择 1 采样元件的选择 由于被测量为直流量 因为不能用交流互感器类传感器 用带隔离的直流电压或电流霍尔传感器 如南京茶花公司的CSM005A VSM025A等 成本高 对其使用特性需要很好的实验 但测量精度高 控制电路与主电路隔离 为避免辅助电源的复杂 可选用单电源供电的传感器 用电阻直接采样 根据所测电流 电压的大小及精度要求 选择合适功率 精度的电阻作采样元件 但应注意电阻的热稳定性对采样精度的影响 存在控制电路与主电路共地问题 应考虑两路模块采样电阻的接入及系统地的问题 3 19 2020 15 四 主要单元电路的选择 2 放大电路的选择 在信号检测中 常采用运算放大器构成的仪用差分放大电路作为采样信号的放大 随着电子技术的高速发展 现在也常采用专用差分集成电路 如Ti公司 INA106 AnalogDevices Inc AD8476等 一种带输出箝位的实用差分放大电路 3 19 2020 16 四 主要单元电路的选择 3 应考虑的几个问题 运放供电电源的选用 单电源还是双电源 如果采用单电源 则需考虑信号的极性 选择合适的电路结构 应考虑ADC的实际转换精度 在一般情况下 不同的AD转换器对不同的输入电压 其转换误差会有较大的不同 需对选用的AD转换器转换结果进行实验测试 得到线性好的输入电压范围 据此设计合理的放大倍数 为避免采样电路阻抗对信号放大的影响 应注意采样电路与放大电路的阻抗变换 可以加跟随器缓冲 在主电路与控制电路没有电隔离的情况下 应注意高频干扰 在运放的输入端 电源端应加合适的高频旁路电容 根据系统功能要求 总体考虑采样输入和输出接口及箝位保护 3 19 2020 17 四 主要单元电路的选择 3 微控制器选择及其外围电路的设计 1 课题对微控制器的资源要求 需要三路至少十位的AD转换器 对两个模块输出电流和系统输出电压采样信号进行AD转换后反馈给CPU处理 需要二路PWM输出 以实现对两个BUCK型DC DC模块进行控制 实现电流的分配控制与恒压控制 需要若干个键盘输入接口以完成手动与自动模式切换 手动电流分配的设置 需要若干个用于显示的输出接口 需要用于过流保护的中断口 实际资源需求取决于电路的设计与控制方式选择 3 19 2020 18 四 主要单元电路的选择 2 对人机接口的考虑 参考 共需 个输入口作按键输入 个led段驱动 不考虑小数位 二个位选 共15个IO口 3 19 2020 19 四 主要单元电路的选择 CPU资源分配 3 19 2020 20 四 主要单元电路的选择 CPU的选择 结合实验室资源 建议使用AVR单片机或带PWM模块的STC单片机 如Atmega128 其相关资源情况如下 RISC结构 通过JTAG接口编程两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器 计数器 两个具有预分频器 比较功能和捕捉功能的16位定时器 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 6路分辨率可编程 2到16位 的PWM 8路10位ADC 53个可编程I O口线 片内 片外中断源 3 19 2020 21 四 主要单元电路的选择 辅助电源设计 根据电路设计情况 需要一个12V电源作 MOS驱动电源 一个5V电源作为数据采样放大电路 CPU电路的工作电源 考虑到课题要求输入为DC24V 所以可直接通过24V变换得到 12V 5V辅助电源 辅助电源输出电流应不低于0 5 可以考虑用LM2575adj得到12V或15V 再经LM7805得到 5V 过流保护电路应考虑过载信号的保持及自启动 过流保护电路的设计 应利用两个模块输出电流采样电路检测电流信号 过流 过载保护一般不允许采用程序巡检方式 3 19 2020 22 五 参考程序流程 总体思路 先调电压到稳压范围 7 6 8 4 再进入电流调节模式 根据设定情况 分配输出电流 稳压控制程序流程 3 19 2020 23 五 参考程序流程 为电流分配比例 在自动模式时 默认均为 在手动模式时 根据设定值调节电流 电流分配程序流程 控制程序的设计中应注意 每比较调节一次后应返回 避免环内多次调节情况 3 19