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电子竞赛设计报告
开关电源模块并联供电系统(A题)
设计报告
2011年9月3日
摘要
本系统采用两组DC/DC模块组成开关电源并联供电系统。
DC/DC模块均采用降压型斩波变换电路,功率管采用MOSFET场效应管。
控制电路采用STC12C5616AD单片机,同时完成PWM信号产生、A/D转换两组模块的电流分配比例控制和短路保护功能。
PWM信号由TLP250光耦隔离后驱动MOSFET管。
辅助电源由反激式开关电源产生。
本系统具有线路简单、工作可靠、效率高、控制准确等特点。
经过实验验证,该电路能较好地实现题目所要求的功能。
关键词:
STC12C5616AD;开关电源;BUCK型斩波电路。
目录
1方案选择4
1.1DC-DC主回路拓扑结构的论证与选择4
1.2控制方法的论证与选择5
1.3辅助电源的论证与选择5
2系统理论分析与计算5
2.1主回路器件选择及参数设计5
2.2辅助电源回路器件选择及参数设计6
2.3控制回路器件选择及参数设计6
3电路与程序设计6
3.1电路的设计6
3.2程序的设计6
3.2.1程序功能描述与设计思路7
3.2.2程序流程图7
4指标测试8
4.1测试仪器8
4.2测试结果及分析8
5结论8
6文献参考9
7附录8
1方案选择
1.1DC-DC主回路拓扑的论证与选择
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式虽然安全,但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低,而本题没有要求输入输出隔离,所以选择非隔离方式,具体有以下几种方案
方案一:
串联开关电路形式。
开关管V1受占空比为D的PWM波的控制,交替导通或截止,再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。
该电路属于降压型电路,可获得题目要求的8V的输出电压。
(见图1)
图1
方案二:
并联开关电路形式。
并联开关电路原理与串联开关电路类似,但此电路为升压型电路,开关导通时电感储能,截止时电感能量输出。
只要电感绕制合理,不能达到题目要求的8V。
(见图2)
图2
方案三:
串并联开关电路形式。
在主回路中,相对于输入端而言,电感器L与负载成并联。
开关管T交替工作于导通/关断两种状态,工作过程与并联式结构相似,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T对电感器L充电,同时续流二极管D关断,负载RL靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时,续流二极管D导通,电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电,并同时对电容器C充电;由于续流二极管D的反向极性,使输出端获得相反极性的电压输出。
(见图3)
图3
题目要求由24V电压变成8V电压,所以需选一个具有降压功能的电路。
而串联开关式电路与串并联开关式电路相比具有效率高,拓扑结构简单的有点,且电路对功率要求也不是很高,所以我们采用方案一的方式。
1.2控制方法的论证与选择
由于该电路是由2个完全相同的DC/DC模块并联组成。
两个模块电路的内阻相同且很小,只要我们稍稍改变一下电压,就能按一定比例很大的改变输出电流。
所以只需控制PWM来改变电压即可。
方案一:
利用脉宽脉宽调制型控制器控制。
用脉宽调制型控制器实现PWM控制,产生频率为20KHZ的脉冲较容易,并且完全由硬件产生高频脉冲,实时性好。
方案二:
采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D后的反馈电压程控改变占空比,使输出电压稳定在设定值。
同时根据A/D后的输出总电流控制两个模块输出电流之比。
负载电流在一个小电阻上的取样经A/D后输入单片机,当该电压达到一定值时关闭开关管,形成过流保护。
方案一的方式电路设计难度较大,电路板布线工作量大。
相对与方案一,方案二具有线路简单,电路板布线工作量小的优点。
且能有实现智能化控制,控制起来更加简便,但控制算法相对会比较复杂,输出电压精确度比较有限。
鉴于以上分析,以及电路要求,我们选用方案二作为控制方式。
1.3辅助电源的论证与选择
方案一:
反激式集成开关电源。
方案二:
全桥式开关电源。
这种电路结构的特点是:
由四只相同的调整管接成电桥结构驱动变压器的原边。
工作过程:
互为对角的两个功率管同时导通,同一侧上的两功率管交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压,改变PWM占空比就可以改变输出电压。
反激式变换器具有效率高,线路简单,能提供多路输出的特点,因此在小功率变换器中得到广泛应用。
全桥式开关电源适用功率管数量较多,适用于超大功率开关电源中。
综上所述,我们选择反激式集成开关电源。
2系统理论分析与计算
2.1.主回路器件的选择及参数设计
常用的二极管开关器件有快恢复、超快速恢复二极管、肖特基二极管等。
在本电路中中,我们选择的是快恢复二极管。
因为快恢复二极管与普通二极管相比有着开通速度快,关断时间短的特点,能适用于较高频率的电路。
而肖特基虽然有更快的开关速度,但由于耐压相对较低,所以不适合本电路。
在其他开关原件中,有功率MOSEFT管、绝缘栅晶体管、SCR、GTR、GTO功率等。
其中MOSEFT管有着快关速度快,低压导通压降小,多适用于高频大电流的场合。
三极管的开关速度慢,且功耗比较大,所以多不适用三极管作为电源开关。
可关断晶体管GTO功率大,价格高,一般用于高压大功率电力机车调速等专用场合。
根据本电路低电压的特点,所以我们选择功率MOSEFT。
2.2辅助电源回路器件的选择及参数设计
在辅助电源里,我们需要把24V电源变成12V、15V和5V的电压供主电路和控制电路使用。
开关器件采用MOSFET场效应管,压降小,可以有效得提高效率。
在产生5V的支路中采用7804芯片。
该芯片功耗较小,可以防止补充到UC3845AN芯片7脚的电压不足,使芯片不能正常工作。
2.3控制回路器件的选择
单片机选用STC12C5616AD。
该型号单片机具有保密性好,低功耗,价格低,高速,可靠性好,抗干扰能力强,且自带PWM功能,无需外加电路。
而且它是基于51单片机的基础之上,由于我们对51单片机比较熟悉,所以容易上手。
且本身就具有A/D转换功能,无需外加电路。
应用也比较广泛,方便购得。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
电路设计基本思路:
首先设计一个降压式斩波主电路,得到题目所要求的电压。
在输出电压中取一个反馈电压,经A/D转换后送入单片机与单片机设置的基准电压进行比较,由单片机输出一个脉冲电压,通过驱动器控制脉宽变化,从而起到稳定输出电压和控制输出电流的功能。
电路框图:
电路原理图见附录1
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
程序主要分为稳压和电流按比例分配两个功能。
在稳压方面,让采样电压和设置的基准电压进行比较。
若比基准电压大,则开始减少占空比调节。
若比基准电压小,则开始增加占空比的调节。
在电流自动按比例分配方面,检测每路输出电流,经过A/D转换后送入单片机,计算出总电流。
若总电流大于1.3,则按1:
2模式分配输出电流;若总电流小于1.2,则按1:
1模式分配。
大于1.55,按手动分配;若总电流小于1.45,则按1:
2分配。
大于3.8,按1:
1分配;若总电流小于3.7,则按手动模式分配。
若总电流大于4.5A,则自动切断电源,经过秒后,自动恢复。
3.2.2程序流程图
源程序见附录2
4指标测试
4.1测试仪器
TDS210示波器;VC9804A+3位半数字万用表
PS-303直流电源;
4.2测试结果及分析
表1负载调整率测试
输出电流
1.0A
1.52A
4.09A
输出电压
7.9V
7.8V
7.8V
负载调整率:
(7.9-7.8)\7.9×100%=1.2%
表2输出电流量
输出总电流
1.0A
1.52A
4.09A
模块1输出电流
0.5A
1.004A
2.047A
模块2输出电流
0.5A
0.5A
2.030A
相对误差绝对值
0
0.9%
0.97%
表3效率检测
输入电压
输入电流
输出电压
输出电流
效率
24V
0.35A
7.9V
1.0A
0.94
24V
0.52A
7.8V
1.52
0.95
24V
1.36A
7.8V
4.09
0.98
过流保护:
过流保护电流为4.56
当输出总电流为1.7A时,调节电位器,两路输出电流在(1.37,0.32)到(0.188,1.42)范围之间;当输出总电流为2.54A时,调节电位器,两路输出电流在(0.315,2.22)到(2.216,0.48)范围之间,相对误差绝对值为;当输出电流为3.5A时,调节电位器,两路输出电流在(0.403,2.86)到(2.811,0.600)范围之间。
通过上述数据的分析,我们可以知道该系统能够很好的完成题目所要求的内容,且在某些性能上超过了题目的要求。
所以这是一个比较成功的电路系统。
五、 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、和抗干扰方面还有比较大的提升空间,经过改进,相信性能还会有进一步的提升。
而且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,整个制作和调试的过程很累很辛苦,但总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。
六、 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,2005
2高吉祥等.模拟电子技术(第二版).北京:
电子工业出版社,2007
3 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
七、附录
附录1:
电路原理图
主电路原理图
控制电源部分
附录2:
源程序
主程序:
//**************************************************
//
//设备名称:
开关电源模块并联供电系统(2011电子竞赛)
//功能:
检测输出电压与两个输出电流,
//单片机硬件条件:
STC12C5616ADDC5V供电用33MHz晶振煤电钻电源-前级完整原理图V2
//设计与制作:
朱鑫铮2011.9.1
//**************************************************
/*功能简介:
1、
*/
//**************************************************
#include
#include
unsignedcharPWM1D;//模块1的占空比
unsignedcharPWM2D;//模块2的占空比
unsignedcharCurrentScale_Set;//设定的模块1和2的电流比/PWM占空比分配比例,200表示模块1:
模块2=2:
1
unsignedcharCurrentScale_Fb;//反馈的模块1和2的电流比
unsignedcharScaleSelect;//电流比例调节程序状态
unsignedcharVoltagePISelect;//电压PI调节状态
//unsignedcharManualMode;//手动模式使能信号
unsignedintADResult;//本次采样电压的AD值
//unsignedintCurrent1Fb[10];//电流1反馈
//unsignedintCurrent2Fb[10];//电流2反馈
unsignedintADResultC1;//本次采样电流1的AD值
unsignedintADResultC2;//本次采样电流2的AD值
unsignedintADResultCA;//本次采样电流1和2的AD值的总和
unsignedcharOverLoadTime;//短路保护时间
unsignedintADAdjust;//
main()
{
unsignedcharu8i;//临时数据存放
//unsignedintu16i;//临时数据存放
unsignedlongu32i;//临时数据存放
unsignedintVoltageRefGap=0;//现在反馈的电压和设定值的差距。
10位数
unsignedintVoltageRefGap2=0;//累计误差
unsignedcharRunLEDtimer;//运行LED闪烁指示定时
//unsignedcharC4ATime;
IOInit();
OtherInit();
EA=0;//禁止中断
Timer1Start();//启动定时器0
PWMStart();//启动PWM
PWM1D=PWMFirst;//初始化占空比
PWM2D=PWMFirst;
CurrentScale_Set=100;//设定初始电流比为1:
1
ScaleSelect=0;
VoltagePISelect=0;
for(;;)
{
//----------------------------稳压程序-----------------------------------------------------------
ADResult=ADConversion(AD_Voltage);
switch(VoltagePISelect)//电压PI调节程序
{
case0:
if(ADResult<(VoltageRef-1))//若反馈电压比设定的基准低,则开始增加占空比调节
{
VoltageRefGap=VoltageRef-ADResult;
VoltageRefGap2+=VoltageRefGap;//对反馈误差累积,
if(VoltageRefGap2>64)//累积误差达到一定程度,就调节占空比
{
LED1=LED_ON;
u8i=VoltageRefGap2/64;
if((PWM1D+u8i) else{PWM1D=PWMMax;PWM2D=PWMMax;} VoltageRefGap2=0; } } elseif(ADResult>VoltageRef){VoltagePISelect++;VoltageRefGap2=0;} break; case1: if(ADResult>(VoltageRef+1))//若反馈电压比设定的基准高,则开始减少占空比调节 { VoltageRefGap=ADResult-VoltageRef; VoltageRefGap2+=VoltageRefGap;//对反馈误差累积, if(VoltageRefGap2>64)//累积误差达到一定程度,就调节占空比 { LED1=LED_ON; u8i=VoltageRefGap2/64; if(PWM1D>u8i){PWM1D-=u8i;PWM2D-=u8i;} else{PWM1D=0;PWM2D=0;} VoltageRefGap2=0; } } elseif(ADResult break; default: VoltagePISelect=0; break; } //----------------------------电流按比例分配程序----------------------------------------------------------- //检测每路输出电流,算出总电流 ADResultC1=ADConversion(AD_Current1); ADResultC2=ADConversion(AD_Current2); ADResultCA=ADResultC1+ADResultC2; //根据输出总电流或手动设置决定输出电流分配比例 switch(ScaleSelect) { case0: //电流1A LED2=LED_ON; if(ADResultCA>Current13A)//若发现总电流大于1.3A {ScaleSelect++;break;} CurrentScale_Set=100; OneToOne(ADResultC1+15,ADResultC2); break; case1: //电流1.5A if(ADResultCA ScaleSelect=0; elseif(ADResultCA>Current17A)//若发现总电流大于1.7 ScaleSelect++; CurrentScale_Set=50; ADResultC1=ADResultC1*2; OneToOne(ADResultC1+23,ADResultC2); break; case2: //电流1.5A~3.5A LED3=LED_ON; if(ADResultCA ScaleSelect--; elseif(ADResultCA>Current37A)//若发现总电流大于3.7 ScaleSelect++; ADAdjust=ADConversion(AD_Adjust)>>1; if(ADAdjust<15)u32i=15; elseif(ADAdjust>500)u32i=500; elseu32i=ADAdjust; ADAdjust=(unsignedint)((u32i*ADResultC1)/100); OneToOne(ADAdjust,ADResultC2); break; case3: //电流4A if(ADResultCA ScaleSelect--; elseif(ADResultCA>Current45A)//若发现总电流大于4.5 {ScaleSelect++;OverLoadTime=100;}//停止输出1秒钟 OneToOne(ADResultC1/4+5,ADResultC2/4); break; case4: //电流大于4.5A短路保护 Bell=1; PWM1D=0; PWM2D=0; break; default: ScaleSelect=0; CurrentScale_Set=100; break; } PWMDChange(PWM1D,PWM2D);//改变占空比 //----------------------------其他程序----------------------------------------------------------- while(! TF1);//延时10ms Timer1Run(); RunLEDtimer++; if(OverLoadTime>0) { OverLoadTime--; if(OverLoadTime==0) { ScaleSelect=0; Bell=0; PWM1D=PWMFirst;//初始化占空比 PWM2D=PWMFirst; } } LED1=LED_OFF; LED2=LED_OFF; LED3=LED_OFF; if(RunLEDtimer>50) { RunLEDtimer=0; //LED3^=1; } } } 附录3: 元器件清单 STC12C5616AD MOSFETST管STP75N7F75 高频变压器 TLP250 电容2200uF/35V×2100uF/25V×7470uF/35V2200uF/25V×2 快速二极管M 三极管8050 SR260二极管 LEDF发光管 其他电阻电容若干 OP07原酸放大器
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