开关电源模块并联供电体系

开关电源模块并联供电系统摘要 本设计主要采用三极管NECB772C、集成运放LM358以及AVR单片机ATmega16实现开关电源模块并联供电系统。系统通过单片机控制两个并联供电模块，实现恒压输出与比例可控的两路恒流输出。单片机的整个控制方式采用先恒压再恒流的方式，并根据采集数据实现两路模块电流按比例自动分配。因此，该系统具有响应速度快，控制方便，算法简单，性价比高，系统效率高、工作稳定可靠等优点。关键词：开关电源 恒压 恒流 比例可控 Abstract:The paper mainly designs a power supply system with switching power supply modules in parallel, adopting transistor NECB772C, integrated operational amplifier LM358 and the AVR microcontroller ATmega16. In order to output constant voltage and two streams of ration-controllable constant current, the system employs SCM to control two power supply modules in parallel. The SCM control mode adopts constant voltage at first and then turns to constant current, with the two streams of module current allocating automatically according to the ratio. Therefore, the system has many advantages, such as fast response, easy control, simple algorithm, high performance cost ration, efficient system, as well as stable and reliable operation.Keyword: switching power;constant current; constant voltage; ration-controllable1 整机与各模块方案论证与选择1.1 整机方案论证与选择方案一： 电路原理框图如图1所示，该图的本质是用开关电源调压，模拟恒流源调流：则用两路开关电源将24V电压降到8+（23）伏电压处，用模拟恒流源比例调控输出电流，并耗散掉这多余的2到3V电压对应电能，实现选题的要求。优点技术成熟，风险很小。缺点：效率不高，尤其是高功率输出与大比例电流调控间矛盾尖锐；其本身不适合当今电源集成化数字化以及低碳环保的理念。而且我们总感觉这种方案与题设所希望实现的开关调压数字调流题意总有一段距离。方案二： 电路原理框图如图2所示，采用标准的开关电源控制芯片LM3485,在典型电路基础上，沿袭原来的电压反馈环节，断开其电流反馈回路，强势插入电流比例调控。实现比例调流。本质是给脉宽调制器人为过流“虚警”来生硬切割输出电流实现强硬分配。优点：电路成熟，可实现性更好，效率优于方案一。缺点：开关电源控制芯片和外加的电流比例调控之间成异步的干预方式运行，本身降低了LM3485自身的开关稳压能力，另外此方案本身也背离了题设要求的禁直接引用开关电源模块的公平竞赛原则。方案三： 电路原理框图如图3所示，此方案主要采用三极管NECB772C、集成运放LM358以及AVR单片机ATmega16实现了开关电源模块并联供电系统。通过单片机控制两个并联供电模块，实现恒压输出与比例可控的两路恒流输出。单片机的整个控制方式采用先恒压再恒流的方式，即根据要求先控制两路模块的电压，达到总电压恒定输出，再实时采集两路电压、电流数据，根据采集数据控制两路模块电流按比例自动分配，同时方便液晶显示。为了提高输出值得精度，在取样电阻的选择、差分放大器的使用、恒流源控制管的选择、ATmega16单片机基准电压的选择等都作了详细的理论分析与论证，结果表明恒流源的输出可以达到精度要求。该系统具有响应速度快，控制方便，算法简单，性价比高，系统效率高、工作稳定可靠等优点。鉴于上面分析，本设计整机方案采用方案三。1.2 各模块方案论证与选择1.2.1 DC/DC开关管的选择 方案一：采用MOSFET作为开关管MOFFET管在导通的过程中会有损耗，称为导通损耗，导通时像可变电阻，并随温度的变化而显著变化。会影响到供电系统的效率。 方案二：采用B772作为开关管 三极管可以像MOS管一样实现开关功能，经验证三极管B772的开关速度高于MOSFET管。并且导通损耗低于MOSFET。 鉴于上面分析，本设计采用方案三。1. 2.2 单片机基准电压方案选择方案一：采用内部基准电压 ATmega16片内设置了一个标称值为2.56V的基准电压，可以通过软件设置与AREF相连接使用内部电压基准。为了更好地抑制噪声，可以在AREF引脚上加一电容进行去耦。采用内部基准电压方案有利于减小噪声干扰。但经过计算，使用2.56v的基准电压不能满足转换精度的要求。方案二：采用自制外部基准电压ATmega16 AREF为外部参考电压输入端，此电压应该在AGND和AVCC之间。在该端口外接由LM1117产生的1.2伏的基准电压。其噪声干扰大于方案一，但可以满足系统对转换精度的要求。综上比较，本系统采用方案二。1. 2.3 取样电阻方案选择方案一：采用1欧姆取样电阻电路中取样电阻值通常都为1欧姆，这是因为串联在电路中压降小，另外其电流值正好就是电压值，便于数值计算。但如果本系统采用1欧姆取样电阻，则有两个不利因素：一是不易满足本系统对输出恒流值精度的要求，二是该电阻值偏大，在该电阻上的功率损耗也就较大，不利于该系统的供电效率的提高。方案二：采用0.1欧姆取样电阻相对与使用1欧姆电阻来讲，采用该电阻明显损耗降低，可以提高系统的供电效率。电压与电流的10倍关系在数据采集处理时也较简单。综上比较，本系统采用方案二。1. 2.4 单片机与键盘接口方案选择方案一：A/D方式实现键盘输入通过与串联的电阻相连接的按键开关的接通与开合，改变输出点的电压值，单片机在经过A/D转换后对这一电压值进行比较判断便可识别某个按键开关的输入，根据不同的连接方式可以有不同的输入识别方法。这种方法使键盘的连接更加简便，许多按键开关至需要通过一个I/O口便可以接入单片机。在利用A/D方式识别键盘输入的软件设计中应当注意的问题是延时问题：即要保证在输入电压稳定的一段时间后才能对输入电压值进行比较判别，一般单片机的A/D转换时间要远少于处理按键抖动所需的时间。方案二：键盘与单片机进行并口连接该方式属于传统的键盘连接方式，其中又分为直接方式，矩阵方式等，原理简单，技术及应用成熟，但在接口使用紧张的场合不太适合。鉴于上面分析以及本设计中单片机接口空余多，按键比较少，故采用方案二。2 硬件设计2.1 系统硬件的基本组成本系统主要由单片机控制模块电路和两路并联DC/DC模块电路组成。单片机控制模块电路由控制单元、液晶显示单元、过流保护单元、指示灯单元、键盘单元组成；DC/DC模块电路包括两路并联DC/DC电路、电流电压取样电路、差分放大电路组成。单片机控制模块结构框图如图4所示，恒流源在单片机的控制下按需求输出，满足精度要求以及供电效率要求。2.2 系统原理电路及分析2.2.1 主控单元原理及分析本系统采用常规集成芯片和传统电路设计而成，所有单元电路都进行了精心选择，尽可能发挥系统的最佳性能。系统所用的部分电路原理图如图5所示。单片机作为控制的核心，主要控制DC/DC模块的恒压输出以及电流按某些比例分配输出。实时监控各个模块电路中的电流以及电压变化，进行PWM占空比修正，保持电压电流按设计要求恒定输出。为了便于观察监测的电压电流值变化趋势以及键盘输入比例的设定值，单片机控制LCD液晶显示模块，接口电路如图6所示。主要显示两个方面的内容。一是显示第一路电流I1,第二路电流I2，总输出电流I0，总输出电压U0。二是显示手动设定的两路电流的比例值。综合考虑显示内容，采用了128*64LCD液晶显示器。 为了根据设计要求手动设置两路电流的比值，并按设定比值自动分配电流，单片机只需要控制四个键盘输入。四个按键分别为“增加”、“减少”、“功能”、“确定”。“增加”表示设定数字的增加，“减少”表示设定数字的减少，“功能”表示光标在两个数字之间切换，切换到某个数字时，按“增加”和“减少”键才有效。“确定”表示数字设置完毕，显示在液晶显示器上。当调节负载电阻改变输出电流时，可能会导致输出电流过大，超过了4.5A，使系统损坏或不能工作正常。单片机则实时监测输出总电流值，一旦总电流超过了4.5A，启动软件过流保护程序，保护系统安全。2.2.2 微控制器MCU的选择单片机的品种很多，功能强大。其中51单片机的性价比很高，但开关电源的控制一般通过PWM来完成，51单片没有自带这种功能。本系统的单片机控制器采用Atmega16单片机，该MCU具有1个232口和1个SPI通信口。可根据要求直接输出占空比可调的PWM波形，特别适合开关电源的控制。性价比较高，既可控制成本，亦可有效地完成控制。2.2.3 可控DC/DC模块电路可控DC/DC模块方案中的可控恒压源思想是单片机对设定值按照一定的算法进行处理，然后控制D/A的输出电压使DC/DC电路输出相应的恒压值。可控恒流源思想是单片机通过采样恒流源电路上串口的采样电阻的电压，计算出此时恒流源电路的输出电流值并与设定值进行比较，来改变D/A的输出从而实现对恒流源输出电流的闭环调节，使输出电流能实现跟随设定值，采用具有反馈控制的闭环控制系统，提高了反应速度和精度，能够使误差保持在极低的水平。该设计中可控DC/DC开关电源模块电路如图7所示。该电路采用两路并联模式，两路模块器件参数完全相同。开关管采用B772，开关速度高，损耗低。两路电流值分别由取样电阻R29和R32取样并采集获得，该电阻参数为0.1欧姆、1/2瓦，满足设计精度要求。两路电压的瞬时值由单片机的模数转换通道采集，实时监测这个数值，若电压值发生异常，则通过调整PWM占空比来修正到期望值电压值输出。2.2.4 差分放大电路LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适合用于双电源工作模式。差分放大电路的放大倍数可以改变电阻值进行调整。例如，若R14= R13=10千欧姆，则输出等于输入，没有放大。若R14=100千欧姆，则输出等于输入的10倍。本设计中差分放大电路如图8所示。考虑到取样电阻的值为0.1欧姆，在送至单片机采集前需进行十倍放大，便于单片机数据采集处理，所以该电路采用LM358芯片完成两路放大。R14和R8取100千欧姆，表明放大器输出等于输入的10倍。第一路的输入为5脚与6脚，输出为7脚，第二路的输入为2脚与3脚，输出为1脚。R29两端的电压经过第一路放大后送到单片机的模数转换PA0通道进行A/D转换采集数据。R32两端的电压经过第二路放大后送到单片机的模数转换PA1通道进行A/D转换采集数据。数据处理时要注意测得电压与实际电流的关系。2.2.5 基准电压电路本设计中采用自制的基准电压电路是为了提高模拟量采集时的转换精度。该电路采用了芯片7805和LM1117，原理电路如图9所示。7805内含过流、过热和过载保护电路，带散热板时，输出电流可达1A，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内，压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V，是一个低压差电压调节器系列。LM1117的高精度以及底压差特性，非常适合用于产生基准电压电路。24伏电压至7805的输入脚1脚，3脚输出为5伏电压。3脚连接至LM1117的输入脚3脚，2脚输出1.2伏的电压直接提供单片机的基准电压预案。两个芯片外围采用了滤波电路降噪。3 软件设计3.1 软件总体流程图整个控制系统的软件流程大致为：单片机开机初始化，轮询I1、I2 的数据、判断I0的值是否变化，如果变化继续检测，如果不变，根据I0的值进入各个比例设置模式，并在LCD中显示出来。如果检测到I0 的值大于或等于4.5伏，进入过电保护模块。系统不工作的间隙都是处于睡眠状态，有利于进一步减小系统功耗。3.2 软件设计特色说明3.2.1 先恒压后恒流方式先恒压：系统开机后，单片机按需求实现相应占空比的PWM波，PWM波去控制DC/DC模块得到输出总电压为8伏。同时，单片机通过AD转换通道PA2和PA3分别采集两路DC/DC模块的实际输出电压数据，实时监测两路电压数据的变化。若发现存在电压值异常，则通过修正PWM占空比实现输出电压Uo的恒定。 再恒流：在Uo恒压输出的前提下，若调节负载电阻，则总电流Io必然改变，单片机通过AD转换通道PA0和PA1分别采集两路DC/DC模块的实际输出电流值数据，总电流等于二者之和，实时监测总输出电流，当总电流等于某个值时（设计需要的某种模式），电阻停止调节，总电流则保持不变，程序进入设置比例模式，调整两路PWM占空比PWM1和PWM2，控制电流I1与I2按设计需求的比例输出恒定电流值。3.2.2 过流保护设计调节电阻时，如果电流过大，则可能不能正常工作，或者烧坏某些器件。因此，过流保护是必须的。过流保护有硬件保护法和软件保护法。为了提高系统的供电效率以及简化电路，该系统设计了软件过流保护。当输出总电流超过4.5A时，通过软件复位系统。避免出现意外状况。3.2.3 MUC人机界面设计ATmega16采用128*64的LCD为显示屏，以简洁的4键键盘为输入设备，可任意控制电路电流的显示比例，更改I1路比例值、更改I2路比例值。采用交互式的人机界面设计操作方便，不需要关机就可以从一种状态切换至其