基于NMOS管的高效双DCDC开关电源智能平衡供电系统(最终版).doc

基于NMOS管的高效双DC/DC开关电源智能平衡供电系统摘要：本设计突破传统PMOS开关管DC方案，采用导通电阻极小（4毫欧IRF1404）NMOS管作为功率开关管，同时续流二极管也采用NMOS管，这样极大提升了DC转换的效率，一度接近90%。IR2110芯片悬浮驱动NMOS技术在该方案中起到关键作用。开关振荡器采用施密特触发器实现，电路非常简单，该电路完全自主设计。电流平衡控制的关键是精确测量电流，电流检测选择MAX4372传感器高位测量，从而实现全系统单一共地，使得系统简单可靠。核心智能控制选择AVR单片机ATMEGA8，在充分利用MCU片内资源上下足了功夫，多通道ADC实现电流测量和平衡比例设定输入，PWM输出微量调节DC电压从而实现电流分配，同时还实现LCD显示。该系统完全实现了题目要求的各项指标，器件选择恰到好处。关键词：NMOSDC/DC IR2110MAX4372平衡供电一、方案设计与论证分析设计题目的各项要求，DC模块的设计是本题重点，两个DC模块输出电流的配比和输出电压的稳定是本题的重点，也是难点。对此，做以下方案的论证与选择。 图1 开关电源系统框图1.1 DC/DC模块DC/DC转换器含有升压式和降压式。升压式通常采用NMOS功率管作为开关管，因为NMOS 工作是由于栅极电压高于源极电压，在升压系统中容易实现，如图2。降压式通常采用PMOS功率管作为开关管，因为PMOS工作是由于栅压低于源电压, 在降压系统中容易实现，如图3。分析题目要求，需要降压式DC/DC转换器。 图2 升压式简单原理图 图3 降压式简单原理图方案一：用PMOS管做开关管，搭建降压式DC/DC模块供电系统。方案二：采用LM2596降压开关型稳压芯片，构建外围电路，通过单片机以及DA转换构建闭环反馈系统，使输出电压满足题目设定要求。如图4所示。 图4 基于LM2596 的DC/DC方案 方案三：通过方案比较，考虑到前两种方案供电系统的效率都不高，选用NMOS管代替方案一中的PMOS管，因为在相同尺寸条件下,IRF3205这种型号的NMOS管的导通电阻大约只有6.5m，而同类型PMOS管中较小的导通电阻也有0.2。NMOS管具有较小的导通电阻，而且技术比PMOS管更成熟,从而提高DC/DC转换的效率，降低功耗。但是如果功率开关管选用NMOS , 由于栅极电压必须高于源极电压才能使NMOS管工作,最小的压差是开启电压VT ，而且NMOS管的源极处于悬浮的状态，所以NMOS 的驱动是一个难点。芯片IR2110较好的解决了NMOS管自举驱动的问题，本方案正是采用这种自举驱动电路。1.2电流分配方案一：由单片机产生2路PWMDA输出电压分别微调2个DC/DC模块的输出电压，从而调整两个DC/DC模块输出的电流比。方案二：一个DC/DC模块由自身模块反馈稳定到8V，另一个DC/DC模块由单片机产生1路PWMDA输出电压干扰DC/DC电路的反馈系统，达到微调其中一个DC/DC的输出电压，从而调整两个DC/DC模块输出的电流比。通过方案比较，方案二的电路简单，可靠性更高，因此选择方案二。1.3 输出电流方案一：在2个DC/DC电源供电模块中分别串一个采样电阻，选用芯片OP07搭建减法器，利用减法器将采样电阻两端的差模电压进行放大一定倍数，则由输出电压、放大倍数和采样电阻的阻值，便可知道流过该支路的电流，如图6所示。 图6 减法器电流采样电路 图7 INA128电流采样电路 图8 ACS712T电流采样电路方案二：采用仪用放大器INA128，搭建外围电路，将采样电阻两端的电压输入INA128。电路简单，共模抑制比高。如图7所示方案三：采用电流传感器ACS712T，此传感器可以检测-5A5A的电流，当没有电流时输出电压为2.5V，精度为185 mV/A，利用其输出电压与输入芯片内的电流成正比，不会影响原电路的电路特性，不需要采样电阻，耗电小。如图8所示。方案四：采用高边电流检测传感器MAX4372，电路简单，测试容易，如图14所示。 为了实现系统尽可能高效率，所以采样电阻要尽可能小，通过实际测试，方案一、方案二功耗大、测试时不是很稳定，方案三在小电流时检测精度不够高，方案四电路简单，检测精度高，低功耗，可靠性好，因此选用方案四。1.4显示方式比较与选择方案一：使用液晶显示屏显示。液晶显示屏LCD1602，具有低耗电量、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，清晰度高，抗干扰能力强等特点。方案二：使用传统的数码管显示。数码管具有：低压、对外界环境要求低，易于维护。 此方案控制简单，但显示内容达不到设计要求。比较二者，因为LCD显示更逼真形象，在无背光情况下能耗低于数码管，驱动电流小，驱动电路相对数码管简单，字码显示柔和，故拟选择方案一。二、理论分析与计算2.1 DC/DC 变换器稳压方法DC单元功率核心电路如图9所示，该电路基于IR2110控制两片NMOS管实现开关控制。IR2110是美国IR 公司生产的MOS驱动器。IR2110采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9）515V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。MOS管Q2是主功率调整管，Q3是辅助开关管，Q2，Q3交替开关，Q2开通对电感充电，此时Q3关闭。Q2断开，电感继续放电，Q3导通，实现续流，同时使得Q2的S极接地，同电位的电容C5被12V电源通过D1充电，在下一个开通周期，C5内储存的电荷被Q2源极自举，IR2110就是利用C5储存的电荷给Q2栅极提供正偏置电压使其导通。图中R10，R11，D3，D4构成慢开快关电路，确保Q2，Q3不会同时导通，进一步降低芯片损耗。主功率管要选择导通电阻Rds极小的MOS管，这样在大电流通过时，在MOS管上浪费的电能少，芯片不发热。例如，IRF1404导通Rds为4m欧就特别好。 图9 DC/DC变换器稳压电路（1）DC控制核心单元为占空比可调的振荡信号发生器，这里采用施密特触发器74HC14做振荡源，电路图如图10所示，U3A，R5，C6构成振荡器，LM358运放对电源输出电压采样，通过R6，Q1，D2，R1调节信号的占空比，实现电源稳压。图10 DC/DC变换器稳压电路（2）DC开关电源所需基准用TL431产生，电路图如图11所示。 图11 LM431产生的2.5V基准源 图12 PWM二阶阻容滤波必须与反向端的电压相等。本设计中让DC模块的输出稳定在8V，即power_8v=8V。公式计算： (R2|R3为R2与R3的并联值),则，调节R2|R3 的阻值是R7的2.2倍，通过反馈调节就可实现输出电压为8V。MCU智能控制系统对DC单元调整控制采用PWM方式，配置PWM为10位模式，控制精度超过系统最高要求。MCU输出PWM经过两级阻容滤波，运放跟随输出的直流电平信号用来微调DC电源电压，实现电流平衡控制。电路如图12所示。一般场效应管栅极耐压不能超过24V，电源电压为24V，这里用LM317得到12V电供MOS管栅极控制用，电路图如图13所示。 图13 24V转12V电路 图14 MAX4372电流采样电路2.2电流电压检测在2个DC/DC电源供电模块中分别串一个采样电阻锰铜丝，然后取出采样电阻两端电压分别供给芯片MAX4372进行采样，通过实际测量输出电压与采样电流的关系为1.6V/A(此参数与采样电阻有关), 将输出电压进行AD转换,根据，便可计算出电流，如图14所示。2.3 均流方法 电流的分配原理：由单片机产生1路PWMDA输出电压，经过2阶阻容滤波，输出电压接到如图10所示的LM358的同相端。假设设定DC/DC模块1与DC/DC模块2的供电电流之比为1:2。当通过电流检测模块1与模块2 的供电电流之比小于1:2，证明DC/DC模块2的供电电流小于设定值，因此要提高DC/DC模块2的输出电压，于是通过单片机控制降低LM358同相端的电压（微调），促使开关管Q2导通（如图9），从而使DC/DC模块2的输出电压略微增加，也就提高了DC/DC模块2的输出电流。当通过电流检测模块1与模块2 的供电电流之比大于1:2，证明DC/DC模块2的供电电流大于设定值，因此要降低DC/DC模块2的输出电压，于是通过单片机控制升高LM358同相端的电压（微调），促使开关管Q2断开，从而略微降低DC/DC模块2的输出电压，也就降低了DC/DC模块2的输出电流。单片机不断地进行电流采样、反馈、调整，使实际输出电流调整到设定值。2.4 过流保护过流保护实现的前提是正确检测电流，软件实时计算总电流，当总电流超过允许最大电流后，MCU通过IR2110的SD（shutdown）输入将DC模块关闭，同时给出报警提示，延时3秒再次打开DC，检测电流，如果电流超过最大值，再关闭，直到电流回到正常。三、软件设计软件设计包括LCD1602显示、比较两电流大小、调整PWM信号、和过流关闭DC模块等内容。四、测试方法与测试结果4.1测试方法（1）将2电流表分别串联在2个DC/DC模块中，接入负载并在总的输出端串流一个电流表，将输出电压接到示波器的通道1。（2）给系统供电，按照基本要求和发挥要求进行测量计数。4.2测试数据4.2.1基本要求测试表2 基本要求测试表（1）额定功率输出输出电压输出电流（总）7.98V2A输入输出效率电压(V)电流(A)电压(V)电流(A)240.37.960.51556.94%240.57.961.15276.42%240.77.961.73982.40%2417.962.686.23%241.37.963.4588.02%241.57.963.9888.00%表3 基本要求测试表（2）IO设置比例DC模块1输出电流DC模块2输出电流DC1输出电流误差DC2输出电流误 差1A1:10.490.512%2%1.5A1:20.511004.2.2发挥部分测量（1）输出电流1.53.5A调节，设置比例在1：0.51：3.5任意调节表4发挥部分测量表（1）输出电流IO(A)设置比例DC1电流大小DC2电流大小DC1输出电流误差DC2输出电流误差1.51:10.750.75001:30.381.121.3%0.4%1:50.251.2400.8%31:11.491.490.6%0.6%1:30.752.2901.7%1:50.512.522%0.8%（2）输出电流为4.0A，设置电流之比为1:1 表5 发挥部分测量表（2）输出电流IO(A)输出电压(V)DC1输出电流DC2输出电流DC1输出电流误差DC2输出电流误差47.952.011.980.5%1%（3）输出过流保护和自恢复功能：当输出短路或负载电流超过4.5A，电路进入过流保护，液晶屏显示报警，当短路故障排除后，电路恢复正常。4.3测试结果分析根据测试结果，电流平衡效果很好，相应时间大约在三秒内。由于电流表的内阻很大,以及采样电阻的消耗功率,使系统输出效率降低。五、总结本设计采用闭环控制系统实现稳定电压、电流分配、过流自保护和恢复等功能，通过精心的方案设计与选择，我们设计的开关电源的性能指标已达到赛题的要求，完成了一个比较完美的作品。设计中选用功耗极小的 NMOS功率管和IR21094浮栅驱动器，提高了系统的效率，整个电路非常精致，当然本设计还有些指标