开关电源模块并联供电系统

2011全国大学生电子设计竞赛 （本科组） 题目: 开关电源模块并联供电系统 论文编号： 参赛学校： 江南大学物联网工程学院 参赛学生： XXX  XXX  XX 二○一一 年 九 月 摘要：     本开关电源并联供电系统由两套模块并联输出的DC/DC模块组成，DC/DC模块由主回路,信号处理电路和脉宽控制电路组成。通过C8051F410单片机控制保证输出电压稳定，输出电流可按任意指定比例分配，从而向负载供电。主回路由半桥开关电路，全波整流电路和滤波电路等组成。单片机发出脉冲控制信号，调节脉宽，驱动半桥开关电路，经过全波整流，滤波输出，同时采集输出的电压电流以及温度信号反馈给单片机构成闭环回路，并与设定值进行比较，调节脉冲控制信号，最终使输出电压稳定且输出电流成指定比例。同时，控制数码管实时显示电压，两模块电流比例，电流值及温度。经测试，本供电系统输出电压稳定，效率可达到72.1%，最大纹波电压仅为40mv,电压调整率为0.2%,负载调整率为-0.05%,散热性能好，并带温度保护，是一种理想的供电系统。 1比较与选择 根据题目要求，我们对以下三部分的设计进行了方案比较与选择。 1.1 DC/DC变换电路程式的选择 DC/DC变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。常见的斩波器有三种：Buck电路－降压斩波器，Boost电路－升压斩波器，Buck-Boost电路－升降压斩波器。由于本题并联的两个DC/DC模块需要将输入电压24V降为8V供给负载，故采用Buck电路。电路的具体程式又有以下几种。 方案一：单端正激式。单端正激变换电路既无直通的危险，且没有变压器偏磁、磁饱和问题，可靠性高。但其功率变换器磁芯利用率低，故效率较低，一般适用于小功率电路。 方案二：单端反激式。单端反激电路原理简单，控制方便，但在输出功率相同的情况下，功率管通过电流大，导通压降高，损耗大，故效率和可靠性较低。 方案三：半桥全波式。半桥全波式电路的效率较高，适用于中大功率的场合。 方案四：全桥式。全桥式电路的功率最大，效率较低，但“直通现象”和变压器的单向偏磁问题会影响电路性能和效率。 由于本系统中两DC/DC模块的额定输出功率为16W，又考虑到效率，故采用方案三。 1.2 脉宽控制单元的选择 方案一：采用TL494芯片调制脉宽。TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。其内部基准电压可由用户任意设定，便于单片机控制。同时，该芯片的15、16引脚与外接电阻构成反向比例运算放大电路，可起到限流保护的作用。 方案二：采用UC3842芯片调制脉宽。UC3842芯片的内部基准电压为2.5V固定不变，用户不能自行设定，不便于单片机控制。 鉴于以上分析，采用方案一。 1.3 单片机的选择 方案一：采用AT89S52单片机。该单片机简单，使用方便，但内部没有A/D采样模块，无法对模块实现PWM控制，且输出端带负载能力差。 方案二：采用PIC16F72单片机。该单片机运行速度高，功耗低，驱动能力强，但仅有1个捕捉/比较/PWM模块，无法实现两个模块的PWM控制。 方案三：采用C8051F410单片机。该单片机指令执行速度快，内部具有12位的A/D和D/A采样模块 ，转换精度高，并有6个捕捉/比较模块，足以实现对两个模块的PWM控制。 本系统中要求对两个独立模块进行PWM控制，故采用方案三 。 2理论分析与计算 2.1 DC/DC变换器稳压方法   要使DC/DC变换器将输入的24V转换为8V并始终稳定在8V左右，必须通过逆变、变压、整流滤波、反馈等过程。逆变过程采用半桥逆变电路，因为其简单，使用器件少，适用于本题24V低电压一类的中小功率逆变电路。变压过程采用高频变压器，半桥逆变器中的两个场效应管轮流导通产生40KHZ的高频脉冲波，因此需要高频变压器进行变压输出交流电，输出的交流电经整流滤波得到平滑的直流电。为使该直流电压稳定在8V左右，采用脉宽调制控制集成芯片TL494，它能将采集到的输出电压反馈回单片机，并与控制电压进行比较，经放大器放大，从而控制占空比，控制输出电压，使其最终稳定。 2.2 电流电压 电压检测：将正输出端电压通过两阻值分别为R10和R11的电阻引到地端，如图1所示，检测R11电阻上的电压，根据分压关系，即可检测到输出电压。由于采样得到的电压信号经过运放送给单片机，而C8051F410单片机的可编程内置基准电压为2.2V，则要求采集到的电压信号为2.39V，根据，而8V，于是计算得0.43，故选取，。 图1 电压检测部分 电流检测：在输出回路串入一个阻值很小的电阻R7，其阻值为0.05,由于右端接地，检测其左端电压，再根据欧姆定律，即可检测到总输出电流，如图2所示。同理，在两DC/DC模块支路中也分别串入小阻值电阻，则可检测到两支路的输出电流。 图2　电流检测部分 2.3 均流方法 将检测到的支路电流送入C8051F410单片机的两个端口，与设定电流进行比较，经比较放大器进行放大，从而控制脉冲宽度，调节支路电流，使之最终达到相等。如图3所示。 － 图3　均流示意图 2.4 过流保护 在整个电路图中，各支路的电流是不一样的，某时刻某部分可能会出现较大的电流，会烧坏元器件甚至产生危险，因此需要采取过流保护措施。举例说明本电路中两处采取的过流保护措施。 2.4.1 TL494实现的过流保护 TL494片内有电流误差放大器，如图4所示，15、16脚是误差放大器的反相和同相输入端，可用于过流保护。康铜电阻上R1的压降，与预先调好的值进行比较.若电流过大，输出高电平，阻止PWM信号产生，开关管处于关断状态，使输出电压降低，形成保护功能。一旦输出电压降低，导致输出电流降低，检测电压降低，电流误差放大器就会输出低电平，重新产生PWM波形，所以该电路具有自恢复功能。 图4 TL494实现的过流保护 2.4.2 处理电流电压信号时的过流保护 检测到的电流信号和电压信号可能过高，会烧坏运放甚至单片机。因此在检测电压端加入稳压二极管ZD1限制过电压；在检测电流端经两级滤波后通过IC3258引入负反馈限制过电流，如图5所示。 图5 处理电流电压信号时的过流保护 3系统总体设计 通过对题目的分析，我们设计出系统的构框图如图6所示： DC/DC模块１ 负 载 滤波 全波 整流 半桥开 关电路 脉宽 控制 电流电 压处理 24V 输入 CPU 电流电 压处理 DC/DC模块2 脉宽 控制 滤波 全波 整流 半桥开 关电路 图6 供电系统总体框图 因此，本系统硬件主要包括主回路，CPU及信号处理电路，脉宽控制电路和输入设定输出显示电路。 3.1主回路 主回路包括半桥逆变电路，全波整流电路，滤波电路，以及电流电压检测电路，于是设计半桥式供电主回路如图7。图中的Q1、Q2、C3、C4、R5、R6组成半桥逆变电路，R5、R6起到均压作用。两个1/2 D1及变压器组成输出全波整流电路，R12、R13、C5、C6组成RC吸收电路并联在两个1/2 D1两端，用于抑制整流二极管两端的过电压。L2、C7组成LC滤波电路，电感L2使电流波形变得平滑，电容C7起到稳压的作用，滤除高频成分，且使输出电压进一步平滑，提高带负载能力。通过R7电阻上电压检测输出电流，从而进行电压采样；通过R11间接得到输出电压，可检测电压。 图7 供电系统主回路 3.2 CPU及信号处理电路 本系统回路控制部分采用新华龙公司的8位单片机C8051F410进行控制,如图8所示。C8051F410具有12位AD转换器和两个12位DA转换器，转换精度高，2304个RAM字节和24个I/O引脚，4个16位通用定时器/计数器，2个16位PWM模块。单片机的P0.0脚为PWM模块信号输出脚，输出信号经过简单的有源二阶低通滤波电路，再经过图8中的分压电路后与TL494的2脚相接。系统主回路中检测到的电压、电流以及温度经一系列稳压、滤波、放大、电压跟随后反馈回单片机，以调节脉冲宽度，从而使电压、电流、温度稳定。图8中的ICL7660作用是将输入的电平反转，因此可将＋5V反转成－5V，为运放供电。 图8 单片机C8051F410的信号处理电路 3.3 脉宽控制电路 本系统对脉宽调制采用美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。 采用TL494芯片构成的脉冲控制电路如图9所示，Q1～Q4构成了H桥驱动电路。为实现正确驱动H桥式驱动电路，采用接TL494的13脚与14脚相接的推挽输出方式。闭环反馈信号和回路控制直流电压分别接1脚、2脚，通过TL494的误差放大器I即1脚和2脚进行比较放大，进而控制脉冲宽度。9脚和10脚信号正比于脉冲宽度交替输出驱动H桥驱动电路使得Q1、Q4导通时Q2、Q3截止，Q1、Q4截止时Q2、Q3导通，从而实现通过变压器驱动了半桥功率变换器的工作。 图9 脉宽控制电路 H桥电路工作时的电流流向如图10、图11所示。 　    　 图10：Q1、Q4导通电流流向      图11：Q2、Q3导通时电流流向 3.4 输入设定和显示电路的设计 针对键入式的要求，本系统采用TM1668芯片，是一种带键盘扫描接口的LED驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。因其与单片机的通信只需三个接口，这在很大程度上简化了电路的输入设定和显示设计，且与单片机的通信的编程方式比较易懂，方便编程。本系统中TM1668的输入和显示电路图如图12所示。 图12 基于TM1668的输入和显示 4 系统软件设计 本系统软件是基于开发平台的汇编程序软件，具有友好的人机界面。系统软件设计主要包括输入显示模块，单片机的PWM模块、AD转换模块三部分，开发过程中按照模块化设计的思想，划分模块进行设计和相应软件的调试工作，不仅可以分工协作，也利于整机系统的调试与修改。  4.1输入和显示模块 输入：键扫描由TM1688自动完成，完成一次键扫描需要2个显示周期，一个显示周期大概要T=8×500us。系统的键盘一共有16个键，具有开始，设定，切换等功能。单片机先发出读键命令之后，开始读取按键数据BYTE0-BYTE4字节，读数据从低位开始输出。其中TM1668最多可以读5个字节，不允许多读；读取字节只能按顺序从BYTE0-BYTE4，不可以跨字节读取。 显示：寄存器从外部器件传送到TM1668的数据，地址从00H-0DH共14个字节单元，分别与芯片SEG和GIRD管脚所接的LED灯对应。LED发光二极管显示管，采用共阴极数码管显示，显示的流程图如图13所示。 图13 输入和显示程序流程图 4.2单片机的PWM模块 本系统中采用单片机的PWM模块实现回路控制信号的输出。C8051F410单片机的定时器有捕捉、比较和PWM3种工作模式，在使用时必须先对其进行相应的设置，TIMER用于PWM工作模式的初始化流程图如图14所示。 设定为PMW模式 图14 PWM初始化流程图 4.3单片机的A/D转换模块 模拟量采集是数字系统必不可少的组成部分，本系统采用C8051F410自带的ADC模块对闭环反馈信号进行了采集和数字处理。C8051F410的ADC模块可配置到任意端口，本系统用到四个完整的专用寄存器，分别用于两模块输出电流，输出电压，温度信号的转换。 5 指标测试 考察本供电系统的性能参数有输出电流稳定性、输出电压稳定性、效率、短路保护阈值电流等等，且根据条件的不同，对系统性能参数的要求也不同。故需要对每种条件下的性能参数进行测试。 测试仪器：TDS1002B示波器，VC9801A+数字万用，WYJ-E(0－30V)稳压电源，滑线变阻器（10/5A）。 根据题目，设输入电压为＝24V，输入电流为，DC/DC模块1设定输出电流为，实际输出电流为，输出电流相对误差的绝对值为，DC/DC模块2设定输出电流为，实际输出电流为，输出电流相对误差的绝对值为，总输出电流为，输出电压为，供电系统效率为，短路保护阈值电流为，其中，，。（电压单位均为伏特，电流单位均为安培，功率单位均为瓦特） 5.1 基本要求     要求1和要求2：调整负载电阻至额定输出功率状态，供电系统的直流输出电压=8.0±0.4V,且供电系统的效率不低于60%。 额定功率输出时，两DC/DC模块输出电流均为2A，测试结果如表1所示。 表1 额定输出功率下的输出电压及输出电流 7.92 7.88 7.90 4.02 4.04 4.05 1.83 1.84 1.85 72.5% 72.1% 72.1% 由表1可知，两模块额定输出时，输出电压从7.88变化到7.92,在8.0±0.4V范围内，最低效率为72.1%，大于60%,因此达到了要求1和要求2。 要求3：调整负载电阻，保持输出电压=8.0±0.4V ，使两个模块输出电流之和＝1.0A且按比例模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。     要求两DC/DC模块输出电流均为0.5A，测量结果如表2所示。 表2 总输出＝1.0A且时的各模块输出电流及输出电压 8.07 8.07 8.07 0.52 0.49 0.49 0.48 0.52 0.52 4% 2% 2% 4% 4% 4% 由表2可知，两个模块输出电流之和＝1.0A且按比例模式自动分配电流时，输出电压稳定在8.07V，在8.0±0.4V范围内，模块1和模块2输出电流的相对误差绝对值最大分别为4%和4%，未超过5%，达到了要求3。 要求4：调整负载电阻，保持输出电压=8.0±0.4V ，使两个模块输出电流之和＝1.5A且按比例模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。   要求两DC/DC模块输出电流分别为0.5A，1.0A。测量结果如表3所示。 表3 总输出＝1.5A且时的各模块输出电流及输出电压 8.04 8.04 8.06 0.52 0.52 0.52 1.01 0.99 0.99 4% 4% 4% 1% 1% 1% 由表3可知,两个模块输出电流之和＝1.5A且按比例模式自动分配电流时，输出电压从8.04V变化到8.06V，在8.0±0.4V范围内，且基本稳定，模块1和模块2输出电流的相对误差绝对值最大分别为4%和1%，未超过5%，达到了要求4。 5.2 发挥部分要求 要求1：调整负载电阻，保持输出电压=8.0±0.4V ，使负载电流在1.5～3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.5～2.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于2%。 测量结果如表4所示。 表4 负载电流在1.5～3.5A间变化时两模块的输出电流及输出电压 1.5 2 2.5 3 3.5 1：1 1：2 1：1 1：2 1：1 1：2 1：1 1：2 1：1 1：2 0.75 0.5 1 0.66 1.25 0.83 1.5 1 1.75 1.17 0.75 1 1 1.34 1.25 1.67 1.5 2 1.75 2.33 8.07 7.97 8.07 8.03 8.07 7.91 8.06 7.78 8.06 7.63 0.74 0.51 0.99 0.67 1.22 0.84 1.47 1.00 1.73 1.17 0.76 1.00 1.01 1.34 1.28 1.68 1.53 1.96 1.72 2.30 1.3% 2% 1% 1.5% 2% 1.2% 2% 0 1.1% 0 1.3% 0 1% 0 2% 0.6% 2% 2% 1.7% 1.3% 由表4可知，当负载电流在1.5～3.5A之间变化时，两个模块的输出电流基本在0.5～2.0A间变化，并且两输出电流的最大相对误差绝对值均为2%，输出电压从7.63V变化到8.07V，也在8.0V±0.4V内，达到了要求1。 要求2：调整负载电阻，保持输出电压=8.0±0.4V ，使两个模块输出电流之和＝4.0A且按比例模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于2%。   要求两模块输出电流为2A,测量结果如表5所示。 表5总输出＝4.0A且时的各模块输出电流及输出电压 8.07 8.07 8.06 2.03 2.02 2.03 1.98 1.98 1.96 1.5% 1% 1.5% 1% 1% 2% 两个DC/DC模块输出电流之和＝4.0A且按比例模式自动分配电流时，输出电压从8.06V变化到8.07V，在8.0±0.4V范围内，且基本稳定，模块1和模块2输出电流的相对误差绝对值最大分别为1.5%和2%，未超过2%，达到了要求2。 要求3：额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。 测试结果如表6所示。 表6 额定输出功率下的输出电压及输出电流 7.99 7.95 8.02 4.05 4.09 4.07 1.79 1.78 1.78 75.3% 76.1% 76.4% 由表6可知，使用开关电源后，效率最高可达到达到76.4%，与表1中最高效率为72.5%相比,系统供电效率得到了进一步提高。 要求4：具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有±0.2A的偏差）。 经测试，系统加入限流保护后，两DC/DC模块的最大输出电流分别为2.2A和2.3A,故负载电流最大为4.5A，未超过规定的阈值电流，达到了要求4。 要求5：除题目的基本要求和发挥部分的要求外，还测量得到了本开关电源的三个重要参数:纹波系数，电压调整率和负载调整率。   最大纹波电压：调整负载电阻，使两模块输出电流之和为＝4.0A且按模式自动分配电流（即额定输出），用示波器测得输出电压波形如图15所示。 图15 纹波电压波形 从图中可以看出，最大纹波电压仅为40mv,故干扰较小。 电压调整率：调整负载电阻，保证总输出电流为2A，测得当输入电压由22V变化到27V时，输出电压由8.06V变化到8.07V，故电压调整率为，稳压效果较好。 负载调整率：调整负载电阻，当输出电流由3A变化到1A时，输出电压由8.06V变化到8.07V，故负载调整率 较为理想。 6结论 系统采用C8051F410单片机最小系统为控制核心，实现了开关电源模块并联供电系统的设计。通过测试，系统不但完成了基本要求和发挥部分的要求，更超要求地测出了本电源的纹波系数，电压调整率和负载调整率。在完成本系统的设计过程中，我们遇到了很多困难和问题，经过不断地改进电路和程序，终于一一克服了。在设计过程中，我们学到了很多课本上没有的知识，使自己分析问题和动手实践的能力得到了进一步的提高。 参考文献： [1]《模拟电子技术基础》童诗白 华成英主编  北京：高等教育出版社 2006年5月 [2] 《电力电子技术》王兆安 黄俊主编　北京：机械工业出版社　2000年7月 [3] 《C程序设计》　谭浩强著　北京：清华大学出版社　2005年 7月 [4] 《单片微机原理及应用》丁元杰主编 北京：机械工业出版社　2005年7月