A年全国大学生电子设计竞赛论文模板43455.docx
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A年全国大学生电子设计竞赛论文模板43455
2011年全国大学生电子设计竞赛
开关电源模块并联供电系统(A题)
【本科组】
2011年9月3日
摘要
在电源的实际使用过程中,各种负载对于供电的可靠性要求不同,当单台电源不能提供负载的全部容量的时,就需要多个电源模块并联使用,以提高电源的容量和运行的可靠性。
本系统以DC/DC变换电路为核心,以51单片机为主控制器,以LTC4352为PWM信号发生器,根据反馈信号对PWM信号做出调整,进行可靠的闭环控制,从而实现稳压稳流输出,并且对其大小可以控制。
同时系统具有输出过流保护和输入欠压保护功能,且可以实现对输入电压、输出电压和输出电流的测量和检测。
关键词:
开关电源,PWM调制,DC/DC变换器,buck降压
Abstract
Keywords:
1系统方案
本系统主要由可控PWM波模块、反馈电路模块、A/D,D/A转换模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1.1开关电源模块的论证与选择
方案一:
电源芯片采用美国国家半导体的LM2596—ADJ,它是一款降压型PWM调节方式的开关稳压电源的芯片,内部振荡源频率为150KHz,最大输出电流3A,最大输出电压40V,基本可以满足题目要求。
它通常被作为恒压电源应用,此时其通过电压取样电压反馈稳压方式达到稳定电压的目的。
方案二:
单片机实现整个系统的控制。
布线简单,硬件设计节省时间;控制软件编程工程量大,难度大;所有的控制都由单片机来实现,对单片机的硬件资源要求很高,这是单片机难于实现的。
方案三:
开关稳压芯片TPS5450具有良好的特性,大电流输出为3A,宽电压输入为5.5V—36V;高的转换效率,最佳状态可达95%;宽电压输出范围,最低可调整到1.221V;具有过流保护及热关断功能;内部有软件启动;其典型应用电路图如图1.1所示。
图1.1TPS5450典型应用电路
综合以上三种方案,由于电路对转换效率要求较高,TPS5450有高达95%的效率,故我们采用第三种方案。
1.2DC/DC变换电路方案论证和选择
方案一:
采用单片开关电源专用控制芯片UC3843、大功率开关管MOSFET和高频开关变压器。
该方案优点是转换效率高,电压在一定范围内可调;缺点是电路较复杂,电流小步幅精确调整范围困难。
方案二:
采用TI公司的PWM产生芯片TL494,配以MOS管驱动芯片NCP5181,以及低导通电阻的PMOS管IRF9540构成DC/DC模块。
TL494内部集成两个误差放大器,通过反馈能对PWM信号的占空比进行调节,从而精确地调整输出电压。
NCP5181具有高驱动能力,开关管能工作在完全导通或完全截止的理想状态,从而使该DC/DC模块具有较高效率。
方案三:
采用DC/DC变换器、和少量外围元器件构成DC/DC转换电路。
优点是电路简单,容易实现,可精确小步幅调整电流输出;缺点是电源转换效率略低,但在仔细调整电路元件的情况下,仍可达到80%以上的转换效率。
DC/DC转换电路使用开关电源芯片TPS5450,其输出电压可调,最大输出电流可达5A,电源效率在90%以上,负载调整率低于0.1%,纹波低于30mV。
TPS5450可接入电压负反馈,使输出电压稳定。
同时它的使能端ENA,可以用来做过流保护。
TPS5450外围连接电路简单、稳定性好,对器件和环境的依赖性小,如图1.2。
图1.2DC/DC典型电路
综合以上三种方案,选择方案三。
1.3控制系统的论证与选择
方案一:
采用德仪专用低功耗芯片MSP430系列。
优点是一块超低功耗单片机,功能较强、兼容性好、性价比高;具有体积小、集成度高、以扩展、可靠性高,具有较高的数据处理和运算能力,系统最高时钟频率8MHz,且一个时钟周期为一个机器周期,运算速度快。
有利于提高电源系统的整体转换效率,该单片机为12位A/D转换,指令精简,代码转换效率较高。
但在学习中没有接触过该单片机,若要使用,还要重新学习。
方案二:
采用当前市场上流行的51系列单片机。
优点是价格低廉、结构简单,元器件容易获得、软件编程灵活、自由度大。
该系列单片机为通用型单片机
综合考虑采用方案二。
2系统理论分析与计算
2.1提高效率方法分析
降低低端MOSFET的恢复电荷(QRR)和正向电压降(VF)。
在更高频率的情况下,相比于一个标准的沟槽MOSFET,集成了一个肖特基二极管和MOSFET的芯片有很多优势。
这种芯片减少了寄生,利用了肖特基二极管相比于MOSFET的体二极管的优势,并降低了板空间要求。
另外,虽然集成了肖特基二极管,通过这种方法还是可以实现极低的RDS率,从而在最大负载的情况下降低传导损耗。
最重要的是,这个集成方案极大大提升了更高开关频率下的效率。
2.2电源变换器设计与计算
1.Buck电路
Buck电路中的电感L和电容C组成低通滤波器,使输出分量的直流分量可以通过,抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过,一个周期T内,开关器件接通时间t所占整个周期T的比例为占空比D。
Fs=1/Ts=switchingfrequency
Buck电路中,占空比越大,负载上得到的电压也越高。
正常工作模式中,输出电压Vout与Vin的关系是:
Vout=(1-D)/Vin。
2.储能电感的选择(L)
因为开关频率f对DC/DC电路变化的效率影响特别大,如果f太高,可以使充电电感和滤波电容得体积减小,但充电电感的涡流损耗、磁滞损耗及其他元件的分别参数的影响造成其他元件的损耗加大。
如果f太低,充电电感和滤波电容的体积就会越大,在保证充电电感的前提下,线圈匝数增多,铜丝损耗加大。
3电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3.1所示,本系统中采用了单片机自动控制,电源芯片采用开关电源芯片TPS5450,运放电路采用精密仪表运放INA210和LM324,显示电路采用LED数码管。
图3.1系统总体框图
3.1.2DC/DC变换电路
系统主硬件电路主要由TPS5450及外围电路构成DC/DC变换电路。
开关电源芯片TPS5450要求的输入电压范围很大,为5.5V-36V,工作电压范围在500KHz。
并且能够在-40摄氏度到-125摄氏度温度范围内正常工作。
芯片的4脚VSENSE的电压值(相对于6脚GND而言)能够稳定在1.221V,因而可以为整个系统提供精确的电压参考信号。
图3.2DC/DC变换电路
3.1.3PWM脉冲控制驱动电路
LTC3452是0-18V理想二极管控制器,采用12引脚MSOP和DFN封装,可防止超出范围的输入电压影响负载电压,利用背对背的MOSFET和UV及OV引脚上的电压分压器来设置可允许的输入电压工作范围。
该控制器用2.9V至18V的电源工作,通过使用一个外部电源,提供额外的灵活性以控制低至0V的电压。
图3.3PWM脉冲控制驱动电路
3.1.4采样电路设计
产生的PWM从电路左端输入,通过控制Jumper的连接控制INA210输入端4,5的压差。
INA210仪表放大器,能将输入的电流放大200倍输出。
单片机从6端进行电流采样,在P10端口进行电压采样。
图3.4采样电路
3.1.5A/DD/A转换电路设计
图3.5A/DD/A转换电路
3.2程序设计流程
图3.6程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试使用的仪器设备
测试使用的仪器设备如表4.1所示。
表4-1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
数字万用表
1
测试电压、电流、电路板短路等
2
DM-6243LLC测试仪
1
变压器和电感绕制测试仪器
3
HY1711-10S双路直流稳压电源
1
提供24V电压
4
GDS-820C示波器
1
测试PWM电路输出波
4.2测试条件与方法
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
首先进行DC/DC并联电路模块的测试,分别对各模块进行测试,在进行整机系统的测试。
分别各模块的指标、负载调整率、整机效率。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
表4-2整机效率测试数据
输入电压
输入电流
输出电压
输出电流
整机效率
24V
1A
8V
2.2A
73%
在规定的范围内改变负载值,测量输出端的电压与电流值,见表4-3。
表4-3负载调整率表
负载
20欧
4欧
2欧
8欧
输出电压
8.02V
8.00V
7.99V
8.00V
输出电流
0.4A
2A
4.00A
1.00A
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX,由此可以得出以下结论:
1、
2、
3、
综上所述,本设计达到设计要求。
附录1:
电路原理图
附录2:
源程序
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
unsignedcharcodeSEL[6]={0x1f,0x2f,0x37,0x3b,0x3d,0x3e};
unsignedcharcodeSEG[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,//0~4
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//5~#9
#defineChannal_A1//通道A
#defineChannal_B2//通道B
#defineChannal_AB3//通道A&B
//*******************修改硬件时要修改的部分begin********************************
//da
sbitda_DIN=P1^3;//数据输入端
sbitda_SCLK=P1^4;//时钟信号
sbitda_CS=P1^5;//片选输入端,低电平有效
//AD
#defineshow_selP0
#defineshow_segP3
sbitad_clk=P1^0;
sbitad_out=P1^1;
sbitad_cs=P1^2;
//**************************修改硬件时要修改的部分end********************************
voiddelay_50ms(uchara)//ms延时
{
ucharb;
for(;a>0;a--)
for(b=110;b>0;b--);
}
voiddelay_1s(uchara)//ms延时
{
uintb;
for(;a>0;a--)
for(b=110*20;b>0;b--);
}
//=================================================================
//函数名称:
voidDA_conver(uintDignum)
//函数功能:
进行DA转换
//入口参数:
Dignum:
根据说明设置转化数据.头四位为特殊位用于选择转化方式,
//以及用于通道选择.请自行设置.后12位为需要转换的值
//出口参数:
无
//=================================================================
voidDA_conver(uintDignum)
{
uintDig=0;
uchari=0;
da_SCLK=1;
da_CS=0;//片选有效
for(i=0;i<16;i++)//写入16为Bit的控制位和数据
{
Dig=Dignum&0x8000;
if(Dig)
{
da_DIN=1;
}
else
{
da_DIN=0;
}
da_SCLK=0;
_nop_();
Dignum<<=1;
da_SCLK=1;
_nop_();
}
da_SCLK=1;
da_CS=1;//片选无效
}
//=================================================================
//函数名称:
voidWrite_A_B(uintData_A,uintData_B,ucharChannal,bitModel)
//函数功能:
模式、通道选择并进行DA转换
//入口参数:
Data_A:
A通道转换的电压值0~0xfff;
//Data_B:
B通道转换的电压值
//Channal:
通道选择,其值为Channal_A,Channal_B,或Channal_AB
//Model:
速度控制位0:
slowmode1:
fastmode
//出口参数:
无
//说明:
Data_A,Data_B的范围为:
0—0x0fff
//本程序如果只需要一个通道时,另外一个通道的值可任意,但是不能缺省
//=================================================================
voidWrite_A_B(uintData_A,uintData_B,ucharChannal,bitModel)
{
uintTemp;
if(Model)
{
Temp=0x4000;
}
else
{
Temp=0x0000;
}
switch(Channal)
{
caseChannal_A:
//A通道
DA_conver(Temp|0x8000|(0x0fff&Data_A));
break;
caseChannal_B:
//B通道
DA_conver(Temp|0x0000|(0x0fff&Data_B));
break;
caseChannal_AB:
DA_conver(Temp|0x1000|(0x0fff&Data_B));//A&B通道
DA_conver(Temp|0x8000|(0x0fff&Data_A));
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