开关电源并联供电系统-暑期电子设计竞赛培训结题报告

1、编号暑期电子竞赛培训结题报告申请题目 开关电源模块并联供电系统培训队员 所在院系 指导教师 实验场所 联系方式 学生电子科技创新中心二一三年 八 月摘要本设计以avr atmega 16单片机为主控模块，结合ir 2102驱动芯片制作两个降压式dc/dc开关电源模块构成并联供电系统，稳定输出8 v电压，各路的转换效率可达84%。同时采用强迫均流控制法，能实现较高精度、比例可调的均流功能，均流相对误差可达5%。通过键盘设定均流比例，液晶实时显示输出电压、电流，人机界面良好，操作简便。具有过流保护功能，各模块工作稳定，基本达到了题目要求。一、方案论证与比较1. 主电路拓扑的选择（1）buck型电路

2、。只能降压不能升压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。但是纹波电压较大，效率不高。（2）buck-boost型电路。既能降压也能升压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，结构简单。输出空载时，会产生很高的电压造成电路中元器件的损坏，故不能空载工作。（3）cuk、sepic和zeta型电路。这三种基本电路使用电容作为能量传递元件，均属于升降压变换器。这三种电路结构都比较复杂，且不能空载工作。其中cuk型电路输出与输入极性相反，sepic和zeta型电路输出与输入极性相同。（4）单端反激型电路。该方案可以防止电流倒灌，同时有较好的电压调整率，成本低，可靠性高，驱动电路

3、简单。但是输出的电压纹波较大，外特性差，适用于相对固定的负载。综合本题的设计要求（输出电压小于输入电压）以及成本、电路复杂性等，选择方案（1）。2. 整流电路的选择（1）二极管整流。二极管无需控制和驱动，电路结构简单可靠，成本较低。但当电路的输出电压较低时，整流二极管压降的限制会使效率难以提高。（2）同步整流。采用通态电阻非常小的mosfet代替二极管，以降低通态压降，可以显著降低整流电路的导通损耗，从而达到较高的效率。但是这种电路的缺点是需要对mosfet的通断进行控制，使控制电路更复杂。本题中对效率的要求并不是很高，为简化电路设计选择方案（1）。3. 处理器的选择（1）采用stc 12c5

4、a16s2单片机。stc 12c5a16s2单片机是台湾宏晶公司2010年推出的新一代抗干扰，高速，高可靠性，低功耗的微控制器，其编程语言完全兼容传统8051单片机。（2）采用atmega16单片机。atmega16单片机是基于增强的avr risc结构的低功耗8位cmos微控制器。片内具有16k可编程flash，8路10位adc，四通道pwm，功能强大，开发成本低。在同样的晶振频率下，方案（2）有更高的性能和更低的功耗，因此可以降低运行频率以减少对电路的电磁干扰。因此选用方案（2）。4. 均流方法的选择（1）主从方式均流。在系统中设置一个主控制器或选择某一个电源作为主控电源，该主控制器或主控

5、电源完成电压调节控制，其电压调节器的输出信号为电流参考信号，用来控制其他电源的输出电流，这时，其他电源按照电流源的特性运行。由于每个电源的电流参考信号都相等，因此输出电流也相等。这种方式均流精度很高，可达0.5%以内，但是一旦主控模块故障，整个系统就无法运行，系统可靠性不高。（2）最大电流自动均流法。在并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，其余的模块为从模块。各从模块以主模块的电流值作为指令进行调整，从而实现均流。（3）自动选主的主从均流方法。在自动选主的主从均流方式中，各电源的电压调节器都处于工作状态，其输出通过均流母线仲裁出最大值。这种方式均流和稳压精度高，并且在主电源失效后，

6、剩余的电源能自动仲裁出新的主电源，不影响系统正常工作。但是其需要硬件电路实现，比较复杂。（4）强迫均流（电压内环，均流外环）控制法。采用软件控制，通过软件计算，比较电源单元电流与系统平均电流，然后再调整电源单元输出电压，使其电流与平均电流相等。软件方式设计灵活、易于实现、均流控制精度高，可以通过微调pwm芯片的输出电压实现两路任意比例的电流分配。综合考虑，选择方案（4）。5. 控制方案的选择（1）采用单片机自带的pwm波发生功能驱动主电路。采用具有pwm波发生功能的单片机，利用软件编程控制其产生pwm波。该方案硬件开销少，但是若想同时实现对电流的采样，对单片机的性能要求较高。（2）采用专用集成

7、pwm控制电路芯片sg3525。该方案反应迅速，采样实时。sg3525具有振荡器，利用改变rt与ct之值，就可以设定pwm的切换频率；此外尚有两组pwm输出、软启动及完全截止的功能，因此在电路设计上可大大降低硬件电路。sg3525采用电压模式控制方法。占空比为0-100%，考虑到死区时间，最大占空比通常为90-95%。其采用分频器，可以得到两路互补的占空比分别为0-50%的pwm信号，同样，考虑到死区时间的存在，最大占空比通常为45%-47.5%。这样的pwm信号用于半桥、全桥、推挽等双端电路的控制。本题选用的atmega16单片机运行速度快，且具有pwm波形发生功能，故选择方案（1）。6.

8、反馈稳压方案选择使用单片机atmega16实时检测输出电压，由于输出电压与pwm波的占空比成正比，若测得的电压高于8 v，则减小占空比；反之，则增加占空比。设置一个阈值电压差e，当前电压差小于e时不进行调节，从而避免反复调节造成电压波动。7. 过流保护方案选择采用软件方式实现过流保护。单片机atmega16实时检测输出电流大小，超过阈值电流后切断pwm输出信号，并进行声光报警提示。若干秒后，系统尝试重新启动。8. 电流检测方案选择（1）霍尔传感器。采用acs712型霍尔电流传感器实现对电流的隔离检测，其阻抗小，无需考虑共模电压的影响，有利于整体效率的提高。但是其线性度较低，一致性不好，需要在软

9、件中进行参数修正以达到较好的检测效果。（2）精密电阻。采用精密电阻将电流信号转换为电压信号，参数一致性好，线性度高，能达到比较高的控制精度。但由于精密电阻采样的是电感支路的电流信号，有一定的共模电压，且在该方式下精密电阻上存在一定的损耗。选择方案（2），采样电阻选取0.1 10w的精密电阻。选取阻值小的电阻以最大限度减少采样电路对输出的影响；选择大功率电阻，减小温升，提高采样电路的精度。9.系统整体框图图1 系统整体框图二、理论分析与计算1.dc/dc变换器稳压参数计算两个dc/dc模块可以等效为两个带有内阻的电池，同时并联在一个负载电阻的两端。设输出电压为vo，负载电阻为r，模块1的占空比为

10、，模块2的占空比为，则模块1的输出电压为24，模块2的输出电压为24。主电路图可以简化为图2。图2 主电路简化示意图根据电路原理：24-vor1+24-vor2=vor即vo=24r(r2+r1)r1r2+r(r1+r2)当两个电源的等效内阻近似相等时，有r1=r2=r，则vo=24rr+2r(+)可见当负载电阻一定时，输出电压与两路模块的占空比之和成正比。调节两路模块输出pwm波的占空比之和即可调节输出电压，所以稳压的过程如下：用单片机产生两路pwm波，分别控制两个模块的开关管，对输出电压进行采样，反馈给单片机。当输出电压vo8 v时，减小两模块的占空比，使(+)减小，从而减小输出电压；当输

11、出电压vo8 v时，增大两模块的占空比，使(+)增大，从而增大输出电压。反复调节，直到满足预先设置的精度为止。2.均流比例计算预设电流比i1：i2，通过测控电路分别测量两模块的输出电流，当两电流比值大于设定值时，则减小模块1的占空比，增大模块2的占空比；当两电流比值小于设定值时，则增大模块1的占空比，减小模块2的占空比。反复调节，直到满足预先设定的精度为止。三、电路设计与实现1.主电路设计开关频率由单片机atmega16输出的pwm波频率决定，根据其数据手册，有公式fpwm=fclk_i/on256=8 mhz256=31.25 khz其中变量n代表分频因子，取1；fclk_i/o为晶振频率，

12、选择8 mhz。由buck电路拓扑结构可知，理论占空比d=vovi=824=33.3%根据本题要求，每个模块的额定输出功率为16 w，输出电压为8 v，故每个模块的额定输出电流应至少为2 a。为了使电源模块满负荷工作时不发生过热，留一定裕量，设计每个模块的额定输出电流为imax=3 a。电感电流纹波il的典型取值通常为直流分量的满负荷值imax的10%20%。让il太大会增加电感和半导体开关设备的峰值电流，从而增加体积与成本。因此本设计中选择电感电流纹波il=0.15imax=0.45a。根据公式可求得lvi-vo2ildt=189 h其中t为开关周期，t=1/fpwm。为避免手工绕制电感，选

13、择标准电感值330 h。设输出电压纹波峰-峰值vripple=10mv，电容c的选择按公式cil t8vripple=180 f为了尽量降低输出纹波，参考其他设计，选择电容值为2200 f。buck电路工作在连续导电模式的条件是（占空比d取33%）r2l(1-d)t=30.8 由于需要调节占空比d来稳压，若要保证电路在d取任何值时都工作在连续导电模式，则r2lt=20.6 因此调节负载电阻的时候应注意避免使负载电阻大于20.6。主电路采用n沟道功率mosfet irf540作为开关管（导通电阻77m）；采用高速功率mosfet和igbt驱动器ir2102作为pwm驱动芯片（驱动能力强，开启上升

14、时间100 ns，关断下降时间50 ns）；采用肖特基二极管1n5822作为续流二极管（耐压40 v，最大电流3 a），能很好地满足题目的要求。主电路的电路图如图3。图3主电路电路图2.辅助电源设计如图4，由于输入电压为24 v，不能满足测控电路和单片机供电的需要，故需要外加辅助电源。辅助电源模块采用降压型开关稳压电源控制器lm2576，该芯片具有多种固定电压输出型号和可调电压输出型号，内置固定频率为52 khz的振荡器，电压转换效率高（可达77%到88%），输出电压的误差范围小（最大4%），负载驱动能力大（最大3 a）。本设计中选用lm2576-12为集成运放和pwm驱动芯片供电，选用lm2

15、576-5为单片机供电。lm2576外围电路的元器件取值参考该芯片的数据手册。图4 辅助电源电路图3.测控电路设计如图5，测控电路实现将检测到的电流和电压反馈给单片机。电流测控部分，取样电阻为0.1 10w的精密电阻，避免温度升高对测量精度的影响。取样电阻上压降为0.05 0.2 v，对输出电压造成的影响不大，同时功率损耗较小。电压测控部分，采用两个20k的电阻分压，输出电压理论上是04 v，可以送入单片机的adc进行采样。在电压、电流采样电路的前端均串接一个电压跟随器，保证阻抗匹配，减小单片机电路对主回路的影响，提高采样精度。图5 测控电路电路图4.单片机模块设计如图6，单片机模块由微控制器

16、atmega 16最小系统和外部设备构成，实现对电流电压采样信号的处理以及稳压、均流等功能。其中单片机的定时器产生占空比可调的pwm波形，输出给主电路驱动功率mosfet完成对dc/dc变换器的控制；电压电流的采样信号经单片机内部10位adc转换成数字信号，与人工设定的电压和电流值比对，从而进行相应的计算和调整。图6 单片机模块结构图四、软件设计1.总流程图图7 程序总流程图2.控制算法（1）pid调节。这种算法是比较成熟的控制算法，参考资料多，控制效果好。但是需要通过实验整定系数，较为繁琐。（2）增减调节。采用统一的步进值进行调节。由于时间有限，且题目对调整速度的要求并不高，所以即使不采用p

17、id算法也能达到题目要求。这种方式减少了编程量，提高了开发效率。选择方案（2）。具体程序见附录。五、测试方案与结果分析1.测试仪器rigol dm3051数字多用表rigol ds1102e双通道数字示波器suing ss3225可跟踪直流稳定电源2.测试方案测试框图如图8，按照题目要求对被测量进行测量并记录结果。图8测试框图3.测试数据（1）恒压、均流及效率测试保持其他条件不变，调整负载至额定输出状态，即负载电流为4 a，测量输入、输出电压和电流，记录输出电压误差的绝对值，计算系统效率；记录调整负载完毕到读数稳定的时间t。如表1所示。表1 恒压、均流及效率测试数据vi/vii/avo/vio

18、/at/s241.558.103.9084%3.2（2）输出定比例分流模式测试保持输出电压vo=8 v，调整负载使负载电流分别为1.0 a、1.5 a和4.0 a，其对应电流比分别为i1:i2=1:1、i1:i2=1:2、i1:i2=1:1。测量输出电压和每个模块的输出电流，计算输出电流相对误差的绝对值；记录调整负载完毕到读数稳定的时间t。六、总结本系统以avr atmega 16 单片机为控制核心，结合mos管驱动器ir2102，低导通电阻功率mosfet irf540制作了一台具有可控均流比功能的开关电源并联供电系统，完成了题目的大部分要求。在硬件方面，可以选择导通电阻更低的开关管如irf

19、3205，进一步减小功耗。软件方面，若能采用pid控制理论可以进一步提高控制效率，减小过渡时间。参考文献1 全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编m.北京：北京理工大学出版社，20122 裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用m.北京：机械工业出版社，20103 美ron lenk著.王正仕，等译.实用开关电源设计m.北京：人民邮电出版社，20064 林云，管春.电力电子技术m.北京：人民邮电出版社，20125 马洪涛等.开关电源制作与调试m.北京：中国电力出版社，20106 张华宇等.avr单片机基础与实例进阶m.北京：清华大学出版社，20127

20、老杨，李鹏举.avr单片机工程师是怎样炼成的m.北京：电子工业出版社，20128 atmel.atmega16数据手册z.2003附录：程序#include #include #include #include 1602.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define get_bit(val, bitn) (val&(1(bitn) ) uintaddata;uint rec=1;uchar flag=1;/进入按键中断标志ucharkey_flag=0;/按键标志位uint num1=1,num2=1;voidport

21、_init(void) porta = 0xf8;ddra = 0x07; portb = 0x00;ddrb = 0xff; portc = 0xff; /m103 output onlyddrc = 0x00; portd = 0xcf;ddrd = 0x30;/timer1 initialize - prescale:1/ wgm: 5) pwm 8bit fast, top=0x00ff/ desired value: 31.25khz/ actual value: 31.250khz (0.0%)void timer1_init(void) tccr1b = 0x00; /stop

22、tcnt1h = 0xff; /setup tcnt1l = 0x01; ocr1ah = 0x00; ocr1al = 0x66;/改变a占空比66 ocr1bh = 0x00; ocr1bl = 0x66;/改变b占空比icr1h = 0x00;icr1l = 0xff; tccr1a = 0xf1; tccr1b = 0x09; /start timer/*延时函数*/voiddelay_ms(unsigned intxms)inti,j;for(i=0;ixms;i+) for(j=0;j1140;j+); void delay(uint x)inti,j;for(i=0;ix;i+)

23、 for(j=0;j200;j+); /按下按键后待处理的程序voidkey_sol(void) uchar key;uchar cont1=i distribute:;uchar cont2=x:y = 1:1 ; flag=0;lcdinit();writechar(1,0,13,cont1); writechar(2,0,16,cont2); writecom(0x0f);/开光标显示writecom(0xc6); while(key_flag!=0) key=portd; /*确定按键*/if(get_bit(pind,pd0)=0) delay_ms(10);key_flag+;wh

24、ile(!(get_bit(pind,pd0);/等待按键松开delay_ms(10); switch(key_flag) case 1: /*增加按键*/if(get_bit(pind,6)=0) delay_ms(10);num1+;if(num1=10) num1=9;writenum(2,6,asciinum1);writecom(0xc6); while(!(get_bit(pind,pd6);/等待按键松开delay_ms(10); /*减少按键*/if(get_bit(pind,7)=0) delay_ms(10);num1-;if(num1=0) num1=1;writenum

25、(2,6,asciinum1);writecom(0xc6); while(!(get_bit(pind,pd7);/等待按键松开delay_ms(10); break;case 2:writecom(0xc8);if(get_bit(pind,6)=0) delay_ms(10);num2+;if(num2=10) num2=9;writenum(2,8,asciinum2);writecom(0xc8); while(!(get_bit(pind,pd6);/等待按键松开delay_ms(10); /*减少按键*/if(get_bit(pind,7)=0) delay_ms(10);num

26、2-;if(num2=0) num2=1;writenum(2,8,asciinum2);writecom(0xc8); while(!(get_bit(pind,pd7);/等待按键松开delay_ms(10); break; case 3:key_flag=0;break; #pragma interrupt_handler int0_isr:iv_int0void int0_isr(void) delay_ms(10);key_flag=1;key_sol();while(!(get_bit(pind,pd2);/等待按键松开delay_ms(10); flag=1;lcdinit();

27、voidinit_devices(void) /stop errant interrupts until set upcli(); /disable all interruptsport_init(); timer1_init(); mcucr = 0x02;gicr = 0x40; timsk = 0x00; /timer interrupt sourcessei(); /re-enable interrupts /all peripherals are now initializeduintad_getdata(uintad_input) admux|=0x40; /adc参考电压avcc

28、 adcsra|=0x87; /使能adc，128分频 admux=ad_input; /选择ad转换通道 adcsra|=(1adsc);/开始ad转换delay(1);while(!(adcsra&(1adif); /等待转换结束 adcsra|=(1800) ocr1al =ocr1al-1; ocr1bl =ocr1bl-1; if (vol800) ocr1al =ocr1al+1; ocr1bl =ocr1bl+1; if(ocr1bl250)|(ocr1al250)/超出可控制范围 uchar cont1=error: ;uchar cont2=out of control; l

29、cdinit();writechar(1,0,13,cont1); writechar(2,0,14,cont2);flag=0;while(!flag); ocr1al = 0x66;/初始化a占空比66 voidcur_comp(uint cur1, uint cur2)uintidea_ratio ,current_ratio;idea_ratio = (num1*100)/num2;current_ratio = (cur1*100)/cur2;if(current_ratioidea_ratio) ocr1al =ocr1al-1; ocr1bl =ocr1bl+1; if(curr

30、ent_ratioidea_ratio) ocr1al =ocr1al+1; ocr1bl =ocr1bl-1; if(ocr1bl250)|(ocr1al250)/超出可控制范围 uchar cont1=error: ;uchar cont2=out of control; lcdinit();writechar(1,0,13,cont1); writechar(2,0,14,cont2);flag=0;while(!flag); ocr1al = 0x66;/初始化a占空比66 /*主函数*/void main(void)uchar ascii=0123456789;uchari;uchar t;uchar temp1= . v,temp2=x: . a,temp3=y: . a;float temp1float=0,temp2float=0,temp3float=0;uint tem