不间断直流工作电源(电子设计大赛)

1、编号：H乙2104不间断直流工作电源摘要本系统由三部分开关电源构成不间断直流电源供电系统。系统的电源管理选用AVR系列的MEGA8单片机进行控制。交流供电部分的主开关电源输出纹波小，负载调整率低，输出电流大，具有短路保护功能。充电部分的开关电源用MEGA8产生PWM信号加以控制，完成恒流和恒压的控制要求。锂电升压输出选用大电流低纹波带过载和短路保护的专用升压集成电路。 关键词：开关电源；BULK电路；BOOST电路；PWM；MEGA8；ABSTRACTThis system consists of three part of Switching Power Supply circuit.The

2、 power supply management is controlled by MEGA8,the AVR series. The main power supply circuit has a lower output of ripple,a lower load regulation,a large output of current and has a protection of short circuit.The charging circuit is drived by MEGA8, which can generate the PWM signals to meet the r

3、equirments of contant current and constant voltage. A special IC is selected for the boost circuit ,with which has the function of large output of current and lower output of ripple.Keywords: Switching Power Supply; BULK; BOOST; PWM; MEGA81 方案论证与模块设计1.1主电路结构的选择DC-DC变换主要有串联稳压电源式结构和开关稳压电源式结构两类。串联稳压式结构

4、以78系列稳压集成电路为代表。这种结构具有输出纹波较小的特点。但由于主稳压管工作在放大状态，管子本身损耗大，发热厉害，效率低。利用这种结构完成课题的要求显然是达不到要求的。开关稳压电源式结构又分两大类电路拓扑方式，并联式和串联式。并联式DC-DC变换多采用开关变压器为主的电路拓扑。该方式有如下的优缺点。输入电路和输出电路靠磁路耦合隔离输出，安全性高。但由于开关变压器的设计以及材料的选用要求较高，短时间内调校出漏磁小、损耗低、效率高的变压器很困难。串联式DC-DC变换器由于输入电压和输出电压是共地结构，所以在高电压DC-DC变换器上较少使用，但在低压直流 1变换方面则有无与伦比的优越性。用串联式

5、DC-DC变换器构成的开关电源电路具有输出电流大、转换效率高、设计简单等特点。根据以上分析，结合课题的要求，我们选择串联式开关稳压电路来进行设计和调试。串联式DC-DC变换有两种基本的电路拓扑结构：BULK电路和BOOST电路。BULK电路是降压电路，BOOST电路是升压电路。根据课题的要求，我们选择了两种BULK电路和一种BOOST电路来完成所要求的设计。主回路和充电回路选用BULK电路，锂电升压选用BOOST电路。系统电路框图如下所示：图1-1 系统电路框图1.2模块电路设计及方案论证本系统由主备电源转换模块、降压模块、充电模块、升压模块、保护模块、显示模块组成。1.2.1主备电源切换方案

6、一：采用手动切换方式进行主备电源的切换，此方案设计的切换方式不能及时完成电源转换、且实际操作不便。方案二：采用继电器进行主备电源的切换，继电器是最可靠的电气隔离方式采用继电器能够自动在主备电源之间进行切换，而且能够及时完成这一操作。对于切换电压的扰动用增加输出滤波电容的方法进行弥补。基于实用性、经济性和时效性考虑选择方案二。1.2.2降压模块方案一：采用78系列三端稳压芯片进行降压，78系列稳压管散热量大，易损坏，且输出电压不稳定此系统对电压精度要求较高所以此方案不符合设计要求。方案二：采用智能暂波型电源稳压模块KIC-053，KIC-053带散热体，输出电流电压：3A 5V，模块带有过流过压

7、过热自动保护功能，选择此方案作为设计模块。21.2.3充电模块本系统充电方式规定为先恒流后恒压，由于采购的原因，选用专用的充电管理芯片比较困难。所以选用MEGA8单片机作为控制芯片，通过采集电池的充电电流和电池的电压进行PWM控制，即可满足本系统的要求。充电回路选择分立元件构成的BULK电路，原理图上面已经进行了介绍。该电路的基本拓扑结构如下图所示:图1-2 基本拓扑结构电流的工作模式选择为电流连续工作模式。电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。由于条件限制，采购不到高磁通密度的磁芯。所以选用直径为20m

8、m的普通铁氧体磁芯，该磁芯工作频率较低。经过实验我们确定该部分电路的工作频率为7KHz。用普通的0.2mm多芯线双线并绕到磁芯上，线圈匝数经过实验，取13圈。电感量用电感表测得数据为100uH左右。电容的容量经过实验为2200uf效果较好。充电回路的开关控制管选用P型的MOS管。型号为IRF9540.经过实验，电路工作时，开关管的温升较小。充电效率高，工作状稳定。1.2.4升压模块由于本系统要求升压效率效率85，所以电路需仔细调整，本模块采用GS3660（DC-DC）升压变换器。GS3660应用的典型电路，芯片的输入范围为2.215V，该控制器采用独特的控制方案，PWM（脉冲宽度调制）的优越性

9、，提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。具有较小的静态电流，在重载情况下具有较高的效率，噪声小。采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，这样便于降低电路成本及电路的尺寸。该电路PWM输出直接驱动N沟道场效应管驱动升压实现大电流输出，宽电压供电2.2V-15V，宽工作频率50KHZ-1MHZ振荡频率，具有欠压保护功能、软启动及短路保护功能。使电路工作更稳定。31.2.5短路保护模块方案一：采用保险丝进行电路保护，采用保险丝保护电路当保险丝熔断后不能自动恢复供电，每次熔断后需更换新的保险丝。方案二：采用MEGA8对充电电路进行监控，采用单片机对电源进行管理，可以智能化的完成电路的供电、断电、

10、充电自动恢复供电等功能，当系统供电电路过大、短路时单片机自动切断主备两路电源停止系统供电，问题解除自动恢复。欠压时，单片机控制电子开关停止输出，同时切断MEGA8的电源，使电池自放电达到规定的要求。综上所述，我们选择方案二。1.2.6显示模块方案一：采用12864液晶显示。采用12864液晶显示可以直接显示出电路的电流电压等数据但液晶价格较高，不符合本系统设计要求。方案二：采用LED做显示。采用LED做显示即能准确的指示出系统各模块电路的工作状态，满足我们系统基本工作状态的了解。方案二简单易行既能满足设计需要、又能节约资源，所以选择方案二。2 主要单元电路的设计2.1主电源DC-DC转换器和电

11、源切换电路4图2-1 切换电路主电源DC-DC转换器选用KIC-053模块电路，该电源具有工作频率高，有很好的负载调整率和低的纹波特性。该电路还具有过载保护、短路保护和过热保护功能。输入电压范围大，在输入DC电压为8-36V范围内，都会产生稳定的输出电压，可以满足交流电在-15%到+20%的电压变化范围。电源切换电路用一只线圈电压为AC220V的继电器来自动转换。当交流电供电时继电器因为得电而吸合，常开触点接通主电源。当交流失电后，常闭触点接通锂电供电电路。交流电再次来电后，自动切换回主回路供电。2.2充电电路原理图如下：图2-2 充电电路上图为由BULK电路组成的充电回路，用来为锂电充电。驱

12、动信号来自于单片机MEGA8。PWM信号频率为5KHz。恒流充电时，电流采样信号来自于AD_I,采样电阻R20选用1欧姆0.25W.恒流状态时采样电阻两端的电压为0.2V。单片机采样到此电压高于0.2V时减少脉冲宽度，低于0.2V时增加脉冲宽度。当充电电压达到4.2V时，转入恒压充电。电压采样信号来自于AD_V，在恒压状态下，当电池电压超过4.2V时减少脉冲宽度，低于4.2V时增加脉冲宽度。恒压控制的同时单片机采集电流信号，当充电电流小于20mA时，充电截至继电器切断充电回路。完成充电操作。2.3升压电路原理图如下：5图2-3 升压电路上图为升压部分的电路原理图，主要控制芯片为GS3660B。

13、电路调试时，通过更换L1电感的电感量和震荡电路的电容值来达到需要的输出参数的要求。集成电路的输出经过推挽电路的图腾柱输出结构来改善低电压的驱动波形，减少主功率管的损耗，提高输出电源的效率。由T1和Q12组成的电子开关用来控制升压电路。当交流失电后接通升压电路，锂电电压小于3V时，关闭升压电路。2.4单片机电源管理电路电源管理芯片采用单片机MEGA8。该芯片具有优越的性能。内部资源很丰富。在本系统中用到了芯片内部的PWM功能，ADC中断和定时器。电路原理如下所示，图2-4 电源管理电路具体功能如下：a、PB1端口输出PWM信号。恒流充电时，以PC0电流信号为控制核心。恒压充电时，以PC1电压信号

14、为控制核心。b、ISP接线端子是程序的下载接口，同时也是LCD显示器的接口。电路正常工作时，LCD6显示器实时显示锂电的电池电压和充电电流。c、系统的工作状态LED指示器，包括主电备电工作状态、充电指示状态等。3 电路元件参数的选择3.1主回路DC-DC主回路开关电源模块KIC-053内部的电感和工作频率已经调校完毕。输出DC5V时工作电压范围要求在8V到36V之间。剩下的工作就是输入输出回路的滤波电容的选择。按照器件的推荐，输入部分选择容量为4700uf/35V的电解电容，输出部分选择容量为2200uf/25V的电解电容。输入输出部分各增加一只0.1uf的吸收电容。主回路切换用继电器选择线圈

15、电压为AC220的线圈直接连到电路内部，使得电路简洁，控制准确。变压器选择220V/12V的隔离变压器。AC220V电压波动范围课题要求在15%20%，也就是说二次测的AC电压变化范围为9.6V到13.44V之间。经过整流滤波电路后直流电压的变化范围为12V到17V之间。由选择的开关电源模块参数看出，可以完全满足课题的要求。3.2升压电路元器件的选择升压部分电路是BOOST电路，由于工作频率较高，经过实验，选择电感量为22uH的功率电感效果较好。4 系统调试4.1.1部分程序流程图充电模块流程图7主程序流程图4.2硬件调试由于整个系统由三部分DC-DC变换电路和一个电源管理单片机构成。相互之间

16、可以独立调试。所以调试难度相对来说不大。a.先调试主工作回路。由于选用了模块式的开关电源电路。核心部分的控制，包括保护电路都已经集成到模块内部。所以调试难度较小。调试主回路的同时也可以测试自动切换电路的工作情况。b. 调试充电部分的DC-DC变换器。该部分需要和单片机联调。信号驱动部分的软件控制后面有介绍。硬件部分的调试主要是回路内部的电感绕制和滤波电容的选择和PWM信号的工作频率的选择。具体的方法见后面的参数选择部分。c. 升压电路的调试。升压电路的调试也涉及到了电感的参数选择和震荡部分的工作频率。这些都影响了电源的性能和输出效率。4.3 软件调试a. PWM信号的工作频率通过实验确定为7K

17、Hz。利用MEGA8内部的PWM功能很容易达到所需要的工作频率。b.电源管理主要是输出开关量信号，控制LED的亮灭。8c.控制LCD显示器是MEGA8输出SPI信号。程序见附录。4.4 软硬件联调a. 控制充电电路。该部分的控制和单片机的编程同步进行。b. LCD显示和LED指示器。5 测试仪器、方法与结果分析5.1测试仪器YB4360（60MHz）示波器；DT930F+4位半数字万用表；34401A六位半数字万用表; 自藕调压器(0250V)。5.2指标测试5.2.1主回路最低DC-DC输出电压5.2.2主回路DC-DC输出电压5.2.3纹波测试电源纹波的测量方法大致分为两种：一种是电压信号

18、测量法；另一钟是电流信号测量法一般对于恒压源或纹波性能要求不大的恒流源，都可以用电压信号测量法。而对于纹波性能要求高的恒流源则最好用电流信号测量法。本系统测试采用电流信号测量法。测量工具：YB4360（60MHz）示波器。5.2.3短路保护功能当电路发生短路时，单片机控制电路对电路断电，短路解除，恢复供电。6 结论经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总

19、体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。9参考文献1 曲学基等 新编高频开关稳压电源 北京：电子工业出版社，20052 钱振宇等 开关电源的电磁兼容性 北京：电子工业出版社，20053 马忠梅等 单片机的C语言应用程序 北京：北京航空航天出版社，2007附录1：主要控制程序PWM初始化程序Void PWM_Init()TCCR1A = 0xA3;TCCR1B = 0x09;OCR1B=1020;OCR1A=1020;ADC初始化程序void ADC_Init()ADMUX=0X60+ch; ADCSRA=(1<<ADEN)|(1<<ADIE)|

20、(1<<ADFR)|(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1); asm("sei");ADCSRA|=(1<<ADSC);ADC中断处理程序和PWM控制#pragma interrupt_handler adc_isr:iv_ADCvoid adc_isr(void)10mmd=(uint)(ADCL>>6)+(ADCH<<2);if(ch=1)njzz=fft_mv(mmd,8);if(ch=0)sdzz=fft_perc(mmd,8);ADMUX=0x60+ch;ACSR =(1<<A

21、CD);ADCSRA|=(1<<ADEN)|(1<<ADSC);/启动AD转换LCD显示程序void Disp(void)uchar m,n,p,q,w,r,t,y;m=mv/1000;n=mv%1000/100;p=mv%1000%100/10;q=mv%1000%100%10/1;w=percc/1000;r=percc%1000/100;t=percc%1000%100/10;y=percc%1000%100%10/1;wdata(szm,szn,szp,szq,szw,szr,szt,szy); 部分程序#include "iom8v.h"#

22、include <macros.h>#include "eeprom.h"#define uint unsigned int#define uchar unsigned char11#define cdkz_1 PORTB|=0x01 / 充电继电器控制#define cdkz_0 PORTB&=0x01 /#define nbkz_1 PORTB|=0x02 / 逆变控制#define nbkz_0 PORTB&=0x02 /#define cd_1 PORTB|=0x04#define cd_0 PORTB&=0x04#define

23、cs595_0 PORTD&=0x08 / 595片选#define cs595_1 PORTD|=0x08 /#define clk595_1 PORTD|=0x10 / 595时钟#define clk595_0 PORTD&=0x10 /#define dat595_1 PORTD|=0x04 / 595数据#define dat595_0 PORTD&=0x04 /#define cs_1 PORTB|=0x20#define cs_0 PORTB&=0x20#define clk_1 PORTB|=0x10#define clk_0 PORTB&

24、;=0x10#define di_1 PORTB|=0x08#define di_0 PORTB&=0x08const uchar sz=0xfa,0x0a,0xbc,0x9e,0x4e,0xd6,0xf6,0x8a,0xfe,0xde; uint dad20,dadd180;uint dds20;12void delay(uint t) /延时函数while(t-);/adc/lcd/ void wbit(uchar x)clk_1;if(x!=0) di_1;if(x=0) di_0;delay(1);clk_0;delay(1);clk_1;void wcode(uint x)

25、uchar m=0;uchar i;cs_1;cs_0;wbit(1);wbit(0);wbit(0);for(i=0;i<8;i+) m=(x&0x80);wbit(m);x=x<<1;13di_1;clk_1;delay(4);clk_0;clk_1;delay(4);cs_1;void wdata(uchar aa,uchar bb,uchar cc,uchar dd,uchar ee,uchar ff,uchar gg,uchar hh) uchar m=0;uchar i;cs_1;delay(5);cs_0;wbit(1);wbit(0);wbit(1);

26、for(i=0;i<6;i+)wbit(0);for(i=0;i<8;i+)/前六位写零不显示wbit(0);for(i=0;i<8;i+) m=(aa&0x80);wbit(m);aa<<=1;14;for(i=0;i<8;i+) m=(bb&0x80); wbit(m); bb<<=1; ;for(i=0;i<8;i+) m=(cc&0x80); wbit(m); cc<<=1; ;for(i=0;i<8;i+) m=(dd&0x80); wbit(m); dd<<=1; ;

27、for(i=0;i<8;i+) m=(ee&0x80); wbit(m); ee<<=1; ;for(i=0;i<8;i+) m=(ff&0x80); wbit(m); ff<<=1; ;for(i=0;i<8;i+) m=(gg&0x80); wbit(m);15gg<<=1; ;for(i=0;i<8;i+) m=(hh&0x80); wbit(m); hh<<=1; ;di_1;delay(5); clk_1;cs_1;void lcdinit(void) wcode(0);wcode

28、(2);wcode(1);wcode(3);wcode(4);wcode(5);wcode(6);wcode(7);wcode(0x29); uint mv1,percc1; uint mv=0;uint perc=0;16uint percc,per,sdv;void disp(void)uchar m,n,p,q,w,r,t,y;m=mv/1000;n=mv%1000/100;p=mv%1000%100/10;q=mv%1000%100%10/1;w=percc/1000;r=percc%1000/100;t=percc%1000%100/10;y=percc%1000%100%10/1;

29、wdata(szm,szn+1,szp,szq,szw,szr,szt,szy);/lcd/uint fft_mv(uint x,uchar p)uint max,min,sum;uchar i;dadd0=x;max=dadd0;min=dadd0;sum=dadd0;17for(i=p-1;i!=0;i-)if(daddi>max)max=daddi;else if(daddi<min)min=daddi; sum=sum+daddi;daddi=daddi-1;sum=sum-max-min;return sum/(p-2);uint fft_perc(uint x,ucha

30、r p)uint max,min,sum;uchar i;dad0=x;max=dad0;min=dad0;sum=dad0;for(i=p-1;i!=0;i-)if(dadi>max)max=dadi;else if(dadi<min)min=dadi; sum=sum+dadi;dadi=dadi-1;sum=sum-max-min;18return sum/(p-2);/*/ uchar ch=0;void adc_init(void)ADMUX=0X60+ch;ADCSRA=(1<<ADEN)|(1<<ADIE)|(1<<ADFR)|(1<<ADPS2)|(1<<ADPS1