电子设计大赛A题开关电源模块并联供电系统设计报告.docx
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电子设计大赛A题开关电源模块并联供电系统设计报告
开关电源模块并联供电系统(A题)
摘要
本系统对效率要求非常高,所以尽量减少电路的损耗为设计的基本要求,便设计了模拟数字相组合的系统。
模拟部分为BUCK降压斩波电路,数字电路部分以C8051F340单片机系统为核心,采用其内置的10位A/D,PWM信号发生器。
通过AD检测到的电压和电流反馈信号来调整PWM信号的占空比,使电压稳定输出和电流按比例输出。
经测试得系统的效率达到70%,电压基本稳定在8V,4A电流下测试,电路工作正常,满足系统要求。
系统的最大亮点在于:
由于C8051F340内部PWM发生器的精度和频率太低,会大大影响BUCK电路的性能,我们便将控制器的PWM输出信号经过D/A输出,将此直流信号和由ICL8038产生的高频100K的三角波经高速比较器LM361来产生高频高精度的PWM信号。
电路测试结果表明,这大大提高了系统的性能.
一、系统方案的比较与选择
1.1:
系统方案的比较与选择
方案1:
斩波电路模块部分采用集成芯片如MC34063、UC3842外加IR2111或者IR2104实现,由控制核心产生控制信号调节输出电压和电流。
该方案能完成题目的设计要求,但电路设计调试比较复杂,控制过程也比较难。
方案2:
使用可编程逻辑器件(CPLD、FPGA、ARM等)作为控制系统核心,产生占空比可变PWM驱动MOS管,电源斩波部分。
该系统能产生高频率高精度的PWM信号,但是运用太多集成电路,性价比太低
方案3:
控制系统选用自带PWM信号发生器的单片机系统,方便对开关管的控制,能大大简化电路,控制方便简单。
显然,方案3比方案1简洁,新颖,且性价比比方案2优越,能大大降低系统成本。
1.2:
选用的系统方案
本系统采用BUCK降压斩波电路和单片机C8051F340控制系统实现。
基本的BUCK电路简单,控制容易,且性能稳定,选用的单片机系统C8051F340具有丰富的资源:
10位精度的ADC、5路PWM输出,IC调试接口等。
另外考虑到C8051F340的PWM信号的精度和频率太低,会大大影响系统的性能,甚至基本要求都达不到,我们便将控制器的PWM输出信号经过D/A输出,将此直流信号和由ICL8038产生的高频100K的三角波经高速比较器LM361来产生高频高精度的PWM信号。
电路测试结果表明,这大大提高了系统的性能.
二、详细系统描述
2.1:
系统原理框图
图2.1-1原理框图
2.2:
系统各模块电路
2.2.1:
电源模块
+5V电源
图2.2.1-1+5V电源
:
+12V电源
图2.2.1-2+12V电源
-5V电源
图2.2.1-3-5V电源
由于系统设计要求不能用线性电源和现成的DC-DC模块,所以本系统使用LM2576模块来制作系统需要的电源。
对于产生正电压的公式为:
Vout=1.23*(1+R2/R1)。
本电源模块性能稳定,效率很高,功率大,满足本系统对电源的要求。
2.2.2:
AD620电流采样模块
图2.2.2-1电流采样电路
本系统使用精密运算放大器AD620作为检测信号的放大,AD620的突出优点为精度高,温漂小,仅使用一个精密电阻就能精确确定放大倍数,其增益公式为Av=(4.94K/Rg)+1。
故而用此电路来实现检测的电流信号的放大。
2.2.3:
高频高精度PWM信号产生模块
ICL8038产生三角波
图2.2.3-1高频三角波产生电路
:
单片机PWM输出过D/A,后产生正负直流电压信号模块
图2.2.3-2D/A后正负直流电压信号
高频高精度PWM信号产生
图2.2.3-3高频PWM生成电路
本模块为我们这个设计的亮点部分,用于产生高频高精度的PWM信号,以便更好地稳定输出电压,使得电路更加的稳定,性能好。
2.2.4:
MOS管驱动电路
图2.2.4-1MOS管驱动电路
本系统的开关管选用MOS管,而控制MOS管的关断与开通需要高电压,故而需用MOS管驱动芯片,供电选用12V。
2.3:
系统核心模块,BUCk降压斩波电路
2.3.1:
BUCK电路原理图
图2.3.1-1BUCK降压斩波电路
2.3.2:
基于BUCK斩波的DC-DC模块
图2.2.3-1完整DC-DC模块
2.3.3:
电路器件的选择以及参数的计算
选用导通电阻小的IRF3205低损耗MOS管作为开关管,肖特基二极管选用最大电流可以通过3A电流,并且恢复时间短的SR360。
:
电感参数的计算:
<1>:
电感值的计算:
其中,
是占空比,开关频率
=40kHz,输出电压
为36V,
功率为16W,求得
=10.7
,取11
。
<2>:
电感线径的计算:
最大电流IL为2.5A,电流密度J取4A/mm2,线径为d,则由
得d=0.892mm,工作频率为40kHz,需考虑趋肤效应,制作中采取多线并绕方式,既不过流使用,又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。
输出滤波电路的设计与参数计算:
为了降低纹波,采用LC低通滤波器,取截止频率fL=200Hz,电容取470μF,由
可得
,代入得L=215.80μH,取220μH。
三、系统软件设计
四、系统测试及结果分析
1.测试使用的仪器
表6-1:
测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
FLUKE15B万用表
4
美国福禄克公司
2
TDGC-2接触调压器(0.5KVA)
1
上海松特电器有限公司
3
KENWOODCS-4125示波器
1
带宽20MHz
2.测试数据
基础部分数据:
表6-2:
输出电压及额定功率
输入电源电压/V
电源电流/A
输出电压/V
输出电流/A
效率
24
2.01
7.83V
3.94
64%
表6-3:
不同电流比例测试
输出电压/V
电流比例I1/I2
电流I1/A
电路I2/A
7.99
1:
1
0.49
0.50
8.00
1:
2
0.54
1.03
0
当电流为2A时,输出电压为7.99V
表6-4:
2A情况下任意比例数据
电流之比I1/I2
电流I1/A
电路I2/A
0.6
0.72
1.21
0.8
0.86
1.08
1.2
1.04
0.88
1.4
1.14
0.82
短路保护测试:
经测试关闭电流为4.4A,满足指标要求。
3.测试结果分析
系统的性能没有达到理论分析值,这是很正常的现象,由于各个元器件的实际值会随着电路的工作而偏离其典型标示值,因此会导致在进行效率等分析和计算的时候出现误差。
为了改善误差,进一步增强系统的性能,可以采用以下方法:
使用性能更好的器件,如换用导通电阻更小的电力MOS管,使用软开关技术,进一步减小电力MOS管的开关损耗。
4.结论
由测试结果可知,各个指标均达到并超过了题目要求,电源效率已经超过要求的效率,使用高频PWM,使得电路性能更加好。
由于队员的素质,已经作品的制作时间有限,系统性能尚有很多不足的地方,这些都是我们奋斗的方向。
附录1:
C8051F340单片机控制系统
附录2:
程序源代码
#include
#defineVOLT376
sbitbuffer=P1^7;//蜂鸣器
sbitk1=P2^3;//按键
sbitk2=P2^2;
sbitd1=P2^7;//LED
sbitd2=P2^6;
sbitd3=P2^5;
sbitd4=P2^4;
//value-保存AD转换数据,dc1-第一路PWM占空比,dc2-第二路PWM占空比,adc1电压采样值
//adc2、adc3-两路电流采样值
longintvalue1=0,value2=0,value3=0,dc1=4030,dc2=4030,adc1=0,adc2=0,adc3=0;
unsignedcharcs=1,t1=0,t2=0,t3=0,s=0;
floatk=1.0;//电流分配比例
bitI_flag=0;
voidPort_Init()
{
PCA0MD&=~0X40;//关闭看门狗
OSCICN|=0X03;//内部12M晶振
P0MDOUT|=0X03;//PWM推挽输出
P0MDIN&=~0X18;//ADC输入
P0SKIP=0X18;
P1MDIN&=~0X02;
P1SKIP=0X02;
XBR1=0X42;//端口使能,CEX0、CEX1连接到端口
}
//显示部分
voidLed_Delay()//延时
{
inti,j;
for(i=1;i>0;i--)
for(j=100;j>0;j--);
}
voidLed(unsignedintkk)//数码管显示电流分配比例
{
unsignedchartable[4]={0xef,0xf7};//选通对应数码管
unsignedchardat[4]={0,0};//保存结果各位的数值
unsignedchari;
dat[0]=kk%10;
dat[1]=kk/10;
for(i=0;i<2;i++)//循环显示
{
P4=0xff;
P3=table[i];
P4=dat[i];
Led_Delay();
}
}
//AD采集
voidAdc_Init()
{
AMX0P=0X11;//正输入P0.3
AMX0N=0X1F;//负输入地
ADC0CF=3<<3;//转换时钟3M
ADC0CN=0X81;
REF0CN=0X08;//VDD作为电压基准
EIE1|=0X08;//转换结束中断允许
}
voidAd1()//第1路
{
AMX0P=0X11;//正输入P0.3
cs=1;
}
voidAd2()//第2路
{
AMX0P=0X12;//正输入P0.4
cs=2;
}
voidAd3()//第3路
{
AMX0P=0X13;//正输入P1.1
cs=3;
}
//定时器0,溢出进行AD采集
voidTimer0_Init()//0.5ms采集一次
{
TMOD=0X01;
TH0=(65536-500)>>8;
TL0=(65536-500)&0XFF;
ET0=1;
EA=1;
TR0=1;
}
//两路十六位PWM输出
voidPca_Init()
{
PCA0MD=0X08;
PCA0CPM0=0XCB;
PCA0CPM1=0XCB;
PCA0CPL0=(65536-(int)((dc1/10000.0)*65536))&0XFF;
PCA0CPH0=(65536-(int)((dc1/10000.0)*65536))>>8;
PCA0CPL1=(65536-(int)((dc2/10000.0)*65536))&0XFF;
PCA0CPH1=(65536-(int)((dc2/10000.0)*65536))>>8;
CR=1;
EIE1|=0X10;
EA=1;
}
//按键部分
voidKey_Delay()
{
unsignedinti,j;
for(i=250;i>0;i--)
for(j=50;j>0;j--);
}
bitKey1()
{
biti=0;
if(k1==0)
{
Key_Delay();
if(k1==0)
{
i=1;d3=~d3;
while(!
k1);d3=~d3;
}
}
returni;
}
bitKey2()
{
biti=0;
if(k2==0)
{
Key_Delay();
if(k2==0)
{
i=1;d4=~d4;
while(!
k2);d4=~d4;
}
}
returni;
}
voidK_test()
{
if(Key1())
{
if(k<2.0)
{
k+=0.1;
}
if(k==2.0)
{
d1=0;
d2=1;
}
}
if(Key2())
{
if(k>0.5)
{
k-=0.1;
}
if(k==0.5)
{
d1=1;
d2=0;
}
}
}
voidV_test()
{
if(s==1)
{
s=0;
if(value1>(VOLT+5))
{
dc1-=(int)((value1-VOLT)/2.0);
dc2-=(int)((value1-VOLT)/2.0);
}
else
{
if(value1<(VOLT-5))
{
dc1+=(int)((VOLT-value1)/2.0);
dc2+=(int)((VOLT-value1)/2.0);
}
else
{
Ad2();//进行电流采集标志
}
}
}
if(I_flag)
{
I_flag=0;
if((value2)>(k*value3+2))
{
dc1-=1;
dc2+=1;
}
else
{
if((value2)<(k*value3-2))
{
dc1+=1;
dc2-=1;
}
}
}
}
voiddelay()
{
unsignedinti,j;
for(i=2000;i>0;i--)
for(j=600;j>0;j--);
}
voidProtect()
{
if((value2+value3)>=200)
{
buffer=0;
PCA0CPM0&=0XBF;
PCA0CPM1&=0XBF;
EA=0;
delay();
buffer=1;
PCA0CPM0|=0X40;
PCA0CPM1|=0X40;
EA=1;
value2=0;
value3=0;
}
}
//主程序
voidmain()
{
unsignedchari=1;
Port_Init();
Pca_Init();
Adc_Init();
Timer0_Init();
while
(1)
{
V_test();
K_test();
Protect();
Led(k*10);
}
}
voidISR_T0()interrupt1
{
TH0=(65536-500)>>8;
TL0=(65536-500)&0XFF;
}
voidISR_ADC()interrupt10//转换结束中断
{
AD0INT=0;//清中断标志
switch(cs)
{
case1:
adc1+=(ADC0H<<8)+ADC0L;//电压采样
t1++;
if(t1>=100)
{
value1=adc1/100;
adc1=0;
t1=0;s=1;
}break;
case2:
adc2+=(ADC0H<<8)+ADC0L;//第一路电流采样
t2++;Ad3();
if(t2>=100)
{
value2=adc2/100;
adc2=0;
t2=0;
}break;
case3:
adc3+=(ADC0H<<8)+ADC0L;//第二路电流采样
t3++;Ad2();
if(t3>=100)
{
value3=adc3/100;
adc3=0;
t3=0;
Ad1();
I_flag=1;
}break;
}
}
voidISR_PCA()interrupt11
{
if(CCF0==1)
{
CCF0=0;
PCA0CPL0=(65536-(int)((dc1/10000.0)*65536))&0XFF;
PCA0CPH0=(65536-(int)((dc1/10000.0)*65536))>>8;
}
if(CCF1==1)
{
CCF1=0;
PCA0CPL1=(65536-(int)((dc2/10000.0)*65536))&0XFF;
PCA0CPH1=(65536-(int)((dc2/10000.0)*65536))>>8;
}
}
现代开关电源有两种:
一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。
开关电源内部结构
这里主要介绍的只是直流开关电源,其功能是将电能质量较差的原生态电源(粗电),如市电电源或蓄电池电源,转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。
直流开关电源的核心是DC/DC转换器。
因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。
也就是说,直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的,DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。
直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类:
一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。
隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。
单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。
双管DC/DC转换器有双管正激式(DoubleTransistorForwardConverter),双管反激式(DoubleTransistrFlybackConverter)、推挽式(Push-PullConverter)和半桥式(Half-BridgeConverter)四种。
四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-BridgeConverter)。
非隔离式DC/DC转换器,按有源功率器件的个数,可以分为单管、双管和四管三类。
开关电源内部结构图
单管DC/DC转换器共有六种,即降压式(Buck)DC/DC转换器,升压式(Boost)DC/DC转换器、升压降压式(BuckBoost)DC/DC转换器、CukDC/DC转换器、ZetaDC/DC转换器和SEPICDC/DC转换器。
在这六种单管DC/DC转换器中,Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的,Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。
双管DC/DC转换器有双管串接的升压式(Buck-Boost)DC/DC转换器。
四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器(Full-BridgeConverter)。
隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时,通常采用变压器来实现,由于变压器具有变压的功能,所以有利于扩大转换器的输出应用范围,也便于实现不同电压的多路输出,或相同电压的多种输出。
在功率开关管的电压和电流定额相同时,转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。
所以开关管数越多,DC/DC转换器的输出功率越大,四管式比两管式输出功率大一倍,单管式输出功率只有四管式的1/4。
非隔离式转换器与隔离式转换器的组合,可以得到单个转换器所不具备的一些特性。
按能量的传输来分,DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。
具有双向传输功能的DC/DC转换器,既可以从电源侧向负载侧传输功率,也可以从负载侧向电源侧传输功率。
DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。
借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器,叫做自激式转换器,如洛耶尔(Royer)转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。
他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号,是由外部专门的控制电路产生的。
按照开关管的开关条件,DC/DC转换器又可以分为硬开关(HardSwitching)
开关电源
和软开关(SoftSwitching)两种。
硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下,开通或关断电路的,因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗,即所谓的开关损耗(Switchingloss)。
当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的,而且开关频率越高,开关损耗越大,同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡,带来附加损耗,因此,硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。
软开关DC/DC转换器的开关管,在开通或关断过程中,或是加于其上的电压为零,即零电压开关(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通过开关管的电流为零,即零电流开关(Zero-Current·Switching,ZCS)。
这种软开关方式可以显着地减小开关损耗,以及开关过程中激起的振荡,使开关频率可以大幅度提高,为转换器的小型化和模块化创造了条件。
功率场效应管(MOSFET)是应用较多的开关器件,它有较高的开关速度,但同时也有较大的寄生电容。
它关断时,在外电压的作用下,其寄生电容充满电,如果在其开通前不将这一部分电荷放掉,则将消耗于器件内部,这就是容性开通损耗。
为了减小或消除这种损耗,功率场效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。
绝缘栅双
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