2011全国大学生电子设计大赛国家一等奖A题

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 A题 题 1 20112011 年年 9 9 月月 3 3 日日 摘摘 要要 本系统以ATmega128为主要控制核心 系统主要由DC DC变换电路 恒流源 控制电路 D A数模转换模块 电流电压测量模块 电源模块 显示模块 过流 过压保护模块等 DC DC变换采用简单的Buck变换电路 恒流源控制系统采用集 成运算放大器构成的具有深度负反馈的数字可控直流源 关键词 Buck 电路 电流控制 D A 开关电源 并联 AbstractAbstract This system take ATmega128 as the primary control core the system mainly by the DC DC transfer network the constant current control circuit the isolation module the D A digital analog conversion module the electric current voltage measurement module the power source module the display module the overflow overvoltage protection module and so on the DC DC transformation uses the single end to stir up like the transfer network the constant current control system uses the integration operational amplifier to constitute has the depth negative feedback digital controllable cocurrent source 2 一 一 方案比较与论证方案比较与论证 整个系统可以划分为控制模块 DC DC 降压模块 电流控制模块 电压控 制模块 隔离模块 电源模块 显示模块 D A 转换模块 电压电流测量模 块 过压过流保护模块等辅助模块 为实现不同功能 我们设计了几种不同的方案并进行论证 图 1 1 系统方框图 1 DC DC1 DC DC 降压模块的论证与选择降压模块的论证与选择 方案一 反激变换器 该拓扑通过改变 PWM 的占空比 既可以实现升压 也可 以实现降压 拓扑本身能防止电流倒灌 而且结构比较简单 成本也稍低 由 于此电路在小功率情况下工作时 变压器的漏感和肖特基二极管的损耗相对较 小 所以效率也比较高 但是在频率很高时回路中的电流连续 容易使磁芯内 磁通所在周期的重复逐次增加 导致磁芯的饱和 方案二 推挽式 变压器中心抽头 这种电路的特点是 对称型结构 脉冲变 压器原边是两个对称线圈 两只开关管接成对称关系 轮流通段 高频变压器 磁芯利用率高 与单端电路相比 输出功率大 两管基极均为低电平 驱动电 路简单 如果电流不平衡 变压器有饱和的危险 变压器绕组利用率低对开关 管的耐压只要求比较高 至少是电源电压的两倍 方案三 Buck 型 DC DC 降压斩波电路 这种电路容易实现 如图所示 U i n U o 图 1 2 Buck 降压斩波电路 方案比较 方案一技术成熟 但由于电路结构上的原因 很难调试 方案二干 3 扰较小但是较难达到较高的指标且变压器有易饱和的危险 方案三结构简单 调试方便 控制简单 所以采用方案三 1 21 2 电流均流控制的选择电流均流控制的选择 方案一 采用软件闭环控制方式 键盘预置电流值 经单片机处理后送入 DAC 将其转换为电压信号从而控制输出电流 采样电路采集实际输出电流值 再经过 ADC 转换送回单片机 与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法 调整输出电流值使其与设定电流值相等 从而构成闭环控制系统 方案二 采用硬件闭环控制方案 硬件闭环稳流的典型电路如图 1 3 所示 采用单片机来控制集成运放反馈型的电流源 使其电压电流和负载电阻匹配 通过调节负载即可实现 集成运算放大器是一种高增益的直流放大器 一般工 作在闭环状态只要外接几个电阻 就可以构成具有深度负反馈的放大器 因而 可用作恒流源 通过负反馈的作用 使加在比较器两端的电压相等 从而保持 输出电流的恒定 RL3 8 3 2 4 1 Vref 图1 3 闭环稳流电路图 基准电压可以有手动调节 也可以采用单片机经过 DAC 提供 给定不同的 基准电压 从而恒定不同的电流值 方案一最大的问题是 若输入电源电压或 负载发生变化 都需要经过一段时间调整后才能使电流稳定 方案选择 方案二硬件电路不仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出 故本系统采取方案二 1 31 3 均流方案的论证均流方案的论证 由于该系统是由两路 DC DC 输出构成的并联电源系统 来增大输出电流和 输出功率 开关电源要实现并联就必须解决功率分配的问题 即均流技术的实 现 该系统每一条支路都可以等效为一个电压源和一个电流源的并联 总系统 相当于两个恒流源的并联 开关电源并联系统中最常用的方法有外部特性下垂 法 主从电源法 按平均电流自动均流法 此外还有专门为并联均流设计的控 制芯片 这些方法重点是提高并联系统的均流度 对于和负载一起组成的系统 其输出电流控制基本属于开环状态 一旦负载发生变化 其输出总电流也会发 生变化 不能满足恒流输出的要求 为了满足输出电流在一定范围内可调并且 能够提供人机交互界面 本电源并联系统中采用以单片机 ATmega128 为主控芯 片的控制器 提高了可操作性 为了提高反馈电路的信噪比 采用 4 个 0 1 欧 4 10W 的取样电阻 两两串联再并联 来采集输出总电流的大小 转换成电压 送入单片机的 AD 单片机根据采样回来的总电流进入不同的模式自动分配电流 比 连接电路如图 1 4 所示 图 1 4 均流方案的实现 1 41 4 测量电路的选择测量电路的选择 由题意可知电压要测输入UIN 输出电压UO 电流要测输入电流IIN 输出电 流IO 两路电流I1 I2 测量电压我们选择电阻分压后再经过单片机的 A D 转换 即可得到电压值 输入电流IIN 输出电流IO 利用专门的芯片侧电流芯片 ACS712 利用霍尔效应把电流转化为电压 它们的关系是线性的 通过电压就 可测得电流 两路电流I1 I2通过检测小电阻两端的电压来实现 通过 IU r 即可得到所测电流值 二 系统理论分析系统理论分析 2 12 1 总体方案的分析总体方案的分析 题目要求直流输出电压一直保持在 8V 而输出电流在变 负载电阻也在变 这样我们就能通过 调节电流使电流 I 符合题目要求 调节电阻 电压UIR 不变 系统设计框图如图 2 1 所示 输入电压经 DC DC 转换 输出经过两路恒流 源电路 两路电源并联为负载供电 单片机控制系统的供电由 DC DC 稳压输出 线性电源提供 5V 的电源 恒流源电路完成使输出电流稳定的功能 单片机系统 完成人机交互功能 用户通过键盘设定输出两路电流的比例 由 MCU 处理经 DAC 转换为控制电压 分别送入两路恒流源从而控制两路输出电流的大小 同 在 LCD 上显示系统的相关信息 5 图 2 1 系统总体框图 2 22 2理论分析及计算理论分析及计算 2 2 12 2 1 DC DCDC DC电路参数计算电路参数计算 1 开关频率的选择 考虑到单片机的效率和为减小开关管的损耗并得到可接受的高频噪声 经 反复实验 选择开关频率为 15k 2 电感的选择 根据设计需求 主模块的占空比 Dmax 8 4 24 0 35 由题目要求输出电流纹波绝对值不大于 5 取 10 I 由 求的电感值为 0 913 3mH 取 3 3mH 1 o o VD L IfI 3 Buck 电路电容的选择 可以确定与纹波有关的 LC 滤波器转交频率的位置 0 12 1 o V ff D V 其中 f 为 15k 0 8 于是 1 82k V o f 根据 求得电容为 C 1350uF 用两个 1000uF 的代替了 2 0 1 2 C fL 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 3 13 1电路的设计电路的设计 1 DC DC Buck电路的设计 6 Buck降压电路由电感 电容 开关管 续流二极管组成 其参数如上面计算 得到 其输出电压Uo 拓扑结构为图1 1 i U PWM信号由单片机产生 驱动芯片使用IR2110来驱动 2 数控恒流源的设计 电路原理3 1所示 使用10位的D A转换芯片TLC5615 完成DA 转换 DAC 1024 的分辨率充分满足电流精度为小于5 步进的要求 DAC 的输出控制运放U17 和 MOS管 将电压转换为相应的电流值 同时输出电流流经采样电阻0 1得到采样 电压经运放U18放大21倍后反馈给运放U17 由此形成硬件闭环控制 该闭环控 制最终导致运放U17两端的电压相等 而TP3的电压值即为R20两端电压值经U5B 放大后的值 因而改变TP2电压值即可改变R20 两端电压 从而控制流经RL的电 流值 采样电阻选择 对电阻而言 减额因子 S 实际功率 额定功率 0 5 因此电阻 的功耗 I2R 应尽量小 同时应避免温度过高引起阻值变化过大使得输出电流值 产生偏差 鉴于以上考虑 此电路选用 0 1 10W 的电阻 为避免采样电阻通 过大电流时发热引起阻值变化影响输出电流 本电路将 4 个 0 1 10W 的电阻 两两并联后再串联接入电路 如此可提高电源输出电流稳定性 图3 1 电流源电路 3 均流部分设计 由于采用两路 DC DC 供电系统 并且题目要求两路并联供电 则要求两路供 电系统的协同工作 并且电流要均衡分配 该系统的两路电流连接结构如图 3 2 所示 将负载接到 MOS 管的 D 极 这样做使 S 极采样不为支路电流了 若将 负载接到 S 极 如图 3 2 a 所示则两路电流不均衡时可能会相互影响 不能 稳定 除非采用电流传感器进行电流采样 综合考虑本系统采用了如图 3 2 b 所示的电路结构 加上二极管可以实现将两路电流隔离 是在电流不均流的时 候保护前端 DC DC 稳压源 Q14 Q13 0 1 Rs3 Rs R55 10 RL 8V8V Q12 Q11 0 1 Rs2 Rs R54 8V8V 10 Rl a b 图 3 2 开关电源并联 4 D A转换的电路设计 我们选择8位电压型D A芯片TLC5615 它的外围电路很简单 采用一路D A 7 控制两路并联的恒流源 可以达到的精度 此精度达 12 1000 0 806 10242 mA 到了题目要求的精度 电路图为 图3 3 D A转换模块 5 辅助电源子系统 辅助电源模块采用的是LM2576集成芯片实现 5V 15V输出 图3 4为 5V的输出 图3 4 5V供电电源 图3 5为可调输出 8 图3 5 可调电源 3 23 2程序的设计程序的设计 1 程序功能描述与设计思路 进入恒流源功能模式后 单片机首先判断负载是否开路 若有开路情况 声光报警并文字提示 若无开路则将所设置的电流值Iset 送DAC 控制输出电 流 然后检测负载电压 进行过压检测和保护 将设置电流值Iset 送DAC 后 检测输出负载两端电压 过压将控制DC DC中MOS关驱动信号PWM的信号 将MOS 管断开 延迟0 5S 再次检测 恢复Iset 值继续正常供电 2 程序流程图 9 图3 6 程序流程图 四 测试方案四 测试方案 4 14 1 测试条件与仪器测试条件与仪器 测试仪器及设备如表4 1 仪器名称用途数量 计算机调试程序 1 数字万用表测试电压电流 5 毫伏表测试波纹电压 1 4 24 2 基本部分基本部分 1 额定输出功率下 供电系统的直流输出电压 效率 Uin 负载输出电压输出电流效率 24V 2 欧 8 034 275 2 输出 8V 输出总电流为 1A I1 I2 1 1 测试项目测试条件测试记录备注 设置输出电流 Io1 A 实际输出电流 Io2 A 0 50 495 输出电流 I 1AUi 24V 0 50 500 负载电阻 为 8 电支路电流 比例 1 1 电压输出 Uo 8 03V 电流的相对误差绝对值 1 3 输出 8V 输出总电流为 1 5A I1 I2 1 2 时 测试项目测试条件测试记录备注 设置输出电流 Io1 A 实际输出电流 Io2 A I1 0 5A0 505 输出电流 I 1 5AUi 24V I2 1A1 02 负载电阻 为 5 33 电支路电流 比例 1 2 电压输出 Uo 8 06 电流的相对误差绝对 2 4 34 3 发挥部分发挥部分 1 Uin 保持输出 8V 负载电流在 1 5A3 5A 之间变化 输出电流在 0 52 0 范围内按指定的比例自动分配时 负载 负载电 流 输出 电压 输出电流比例 I1 I2 输出电流 1 输出电流 2 3 002 678 020 5 0 881 69 4 001 998 020 50 691 35 5 001 628 010 50 561 09 3 002 678 071 01 341 39 10 3 002 678 032 01 560 89 4 001 998 020 50 671 34 5 001 628 010 50 551 08 2 保持输出 8V 负载电流为 4A 输出电流按 1 1 自动分配时 测试项目测试条件测试记录备注 设置输出电流 Io1 A 实际输出电流 Io2 A 22 01 输出电流 I 1 5AUi 24V 22 0