毕业设计（论文）-开关电源模块并联供电系统.doc

河南科技大学本科毕业设计（论文）开关电源模块并联供电系统摘 要随着电力电子技术的飞速发展，各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输出参数（如电压、电流、功率）往往不能满足要求，而且如今光伏产业也迅猛发展，而单个电源的效率能量都很低。因此，电源模块并联供电系统就应运而生了。本系统由并联稳压电源和检测控制系统组成。稳压电源使用电压调节器lm2596实现降压，监测控制电路我们采用stc12c5a32s2单片机作为控制核心，配合使用小信号放大器ad620放大采集到的信号；采用比较器lm393比较两路采集的信号，并采用主从均流的方法，对采集到的两路电流信号，通过算法分配误差值，自动调整每一路的电流大小，并通过单片机驱动液晶屏将采集到的数据显示在lcd1602上。并设计有过流保护电路，当系统的负载电流超过设定值时，启动保护电路切断电源并延时一定时间后自动恢复供电。经测试，本次设计的供电系统能够较好的实现两路电流分配，效率可以达到80%以上，每路电流的相对误差3%左右。关键词：lm2596，开关电源，并联供电，单片机，均流switching power supply module parallel power supply systemabstractnow, with the development of power electronics technology, the variety of electronic devices on the electrical power requirements higher and higher, the current requirements is also growing, but by the performance of power semiconductor devices constitute the power supply module, and magnetic materials impact of a single switching power supply module output parameters (such as voltage, current, power) often can not meet the requirements and todays pv industry is the rapid development of the efficiency of the energy of a single power supply is very low. therefore, the power supply module parallel power supply system is adopted.the system consists of the shunt regulator power supply and measurement and control system. power supply voltage regulator lm2596 to achieve blood pressure, monitoring and control circuit with stc12c5a32s2 scm as the control unit, used in conjunction with the small-signal amplifier ad620 to enlarge the acquisition of signal; comparator lm393 two acquisition signal, and using the master and slave are flow method, the two current signals collected by the algorithm assign error to automatically adjust the current size of each road, and collected data through the microcontroller drive the lcd screen will display in the lcd1602. and the design of the overcurrent protection circuit, when the system load current exceeds the set value, start automatically after the restoration of electricity protection circuit to cut off the power and a certain time delay. been tested, the design of the power supply system can better achieve the two current distribution, the efficiency can reach more than 80%, the relative error of each current is about 3%.key words：lm2596,switch power supply,parallel power supply,single-chip microcomputer,current sharingv目 录前 言1第1章 绪论31.1 选题的意义及目的31.2 国内外同类设计的现状41.3 设计任务5第2章 设计方案62.1 设计思路62.2 方案论证72.2.1 dc-dc电路设计方案选择72.2.2 分流方案选择82.2.3 过流保护电路方案选择92.2.4 辅助电源电路方案选择9第3章 硬件电路设计113.1 dc-dc模块设计113.2 电流检测模块设计123.3 系统控制模块设计133.4 辅助电源模块设计143.5 显示模块设计15第4章 软件设计164.1 keil c51集成开发环境介绍164.1.1 keil c51集成开发平台164.1.2 并口下载软件使用174.2 程序流程图18第5章 系统测试205.1 测试仪器清单205.2 功能测试205.2.1 负载调整额定功率测试205.2.2 系统效率测试205.2.3 均流测试215.2.4 过流保护及自动自恢复功能215.3 误差分析21结论23参考文献24致谢26附录27河南科技大学本科毕业设计（论文）前 言 随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，开关电源向更大功率方向发展。研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势。但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦，但实际应用中往往需用几百千瓦以上的开关电源为系统供电 。因此，大功率电源系统需要用若干台开关电源并联运行，以满足负载功率的要求。而且，社会发展越来越迅速，新能源被广泛应用，最典型的有风力发电、太阳能等。光伏产业也发展迅速，就拿太阳能发电来说，由于技术上的原因，太阳能的转化效率还是很低，因此每个电池板的能量很小，因此单个的电源往往不能满足人们的各种需求。因此，采用多个电源模块并联供电，不但可以提供所需电流，而且还可以形成nm冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得。但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短。国外有资料表明，电子元器件在工作环境温度超过50时的寿命是在常温（25）时的1/6。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题。因为对于电子产品而言，系统的稳定性往往是一个很重要的因素。对于并联电源而言，要提高系统的稳定性，使各并联电源模块的输出电流平均分配是一个必须要解决的问题。目前，国内外有几种比较传统的并联均流方案，像下垂法、主从电源法、自动均流法和最大电流法、外部控制器法等等。但目前国家级上使用较多的是主从控制法，而美国unitrode公司以最大电流法为基础开发出的uc3907系列芯片，由于其简单的结构，强大的功能，也获得了广泛的应用。随着单片机及dsp技术的迅速发展，现在可以用它们来控制并联的电源模块均流，效果很好。不过由于芯片造价较高，而且自身a/d及d/a精度不够，若想得到理想的参数，还须外加专门的a/d及d/a芯片，所以还没有广泛普及，而本次设计就将采用这种方法来实现。本次设计我们将采用单片机stc12c5a32s2来进行控制，配合使用小信号放大器ad620放大采集到的信号；采用比较器lm393比较两路采集的信号，并采用主从均流的方法，对采集到的两路电流信号，通过算法分配误差值，自动调整每一路的电流大小，并通过单片机驱动液晶屏将采集到的数据显示在lcd1602上。我们利用模块划分的方法进行设计，把一个复杂的系统划分为几个小模块，简单明了。主要可分为几个模块：单片机控制电路模块、dc/dc模块、电压电流检测模块和显示模块。最后将各个模块结合起来，最终实现系统所要求的各种功能。第1章 绪论1.1 选题的意义及目的随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，开关电源向更大功率方向发展1。研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势。但受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦，但实际应用中往往需用几百千瓦以上的开关电源为系统供电。因此，大功率电源系统需要用若干台开关电源并联运行，以满足负载功率的要求。同时考虑分布式与集中式电源系统相比所具有的优点,具体采用分布式电源系统供电。这样每个变换器只处理较小功率，降低了应力，还可以应用冗余技术，提高了系统的整体稳定性，并且使用场合不受限制，根据需要组合，方便灵活。其容量可以任意扩展。同时可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高模块的功率密度使电源系统的体积、重量得到下降。可谓一举多得。由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展开关电源并联技术的重要性也日益突出。而且，社会发展越来越迅速，新能源被广泛应用，最典型的有风力发电、太阳能等。光伏产业也发展迅速，就拿太阳能发电来说，由于技术上的原因，太阳能的转化效率还是很低，因此每个电池板的能量很小，因此单个的电源往往不能满足人们的各种需求。因此，采用多个电源模块并联供电，不但可以提供所需电流，而且还可以形成nm冗余结构，提高了系统的稳定性，可谓一举两得。但是，在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，使其输出的电流不可能完全一样，导致有些模块负荷过重，有些模块过轻。这将使系统的稳定性降低，会给我们的生产和生活带来严重的后果，而且电源模块自身的寿命也会大大缩短2。国外有资料表明，电子元器件在工作环境温度超过50时的寿命是在常温（25）时的1/6。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题。在本次设计中，电子测量技术、单片机原理及应用，以及模拟/数字信号处理等的多种学科技术知识的综合运用。通过本设计，提高本专业各学科综合知识的实际运用能力，与此同时也提高自身的分析能力与实际动手能力，增强自身对设计的科学性、系统性、及全面性的理解。通过此次设计，能较好的掌握硬件电路的设计的工作流程，进一步体会汇编语言与c语言编写程序的优缺点。1.2 国内外同类设计的现状目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和emi滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了emc性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求3。 总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。 而开关并联供电这几年也随着光伏产业以及电子产品的发展，也迅速发展并被广泛应用到各个领域。像电动自行车、逆变焊机、电镀金等和一些大功率供电场合，都用到了这项技术。而单片机也是未来发展的一个方向，本次设计中用单片机进行控制，与其他类似的设计相比就有了很多的优点。 对于电子产品而言，系统的稳定性往往是一个很重要的因素。对于并联电源而言，要提高系统的稳定性，使各并联电源模块的输出电流平均分配是一个必须要解决的问题。 目前，国内外有几种比较传统的并联均流方案，像下垂法、主从电源法、自动均流法和最大电流法、外部控制器法等等。但目前国家级上使用较多的是主从控制法，而美国unitrode公司以最大电流法为基础开发出的uc3907系列芯片，由于其简单的结构，强大的功能，也获得了广泛的应用。随着单片机及dsp技术的迅速发展，现在可以用它们来控制并联的电源模块均流，效果很好。不过由于芯片造价较高，而且自身a/d及d/a精度不够，若想得到理想的参数，还须外加专门的a/d及d/a芯片，所以还没有广泛普及，而本次设计就将采用主从电源法配合单片机来实现。1.3 设计任务 设计并制作一个由两个额定输出功率均为16w的8v dc/dc模块构成的并联供电系统如下图1-1所示。图1-1 设计任务 设计要求：（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压uo=8.00.4v。 （2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60% 。 （3）调整负载电阻，保持输出电压 uo=8.00.4v，使两个模块输出电流之和 io =1.0a且按 i1:i2=1:1 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%。 （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）。第2章 设计方案2.1 设计思路 题目要求制作两个额定输出功率均为16w的8vdc/dc模块构成的并联供电系统，输出额定电压不变，两个模块的电流能根据负载的不同进行自动分配，且不能使用线性电源及产品的dc/dc模块。lm2596是一个集成的开关电压调节器，外部电路简单，合理的选择外部电容电感等原件，就能实现输出额定功率16w电压为8v的dc/dc模块。由于输出电流要实现自动分配，仅仅通过简单的并联方式还不能完全保证整个扩展后的电源系统稳定可靠的工作。所以必须对电流电压检测后使用均流方法对两个模块的电流进行均流调控。本次设计采用模块儿划分的方法进行设计，将整个系统分为以下几个模块儿：dcdc模块、单片机控制电路模块、电压电流检测模块和显示模块。 本系统采用stc12c5a32s2作为主控制器,由lcd1602显示。采用开关电源lm2596芯片作为开关管对输入电压进行降压控制。同时单片机控制ad芯片对充电电流回路里取样，经ad 转换后显示相关的电压电流值。系统框图如图2-1所示：图2-1 整体系统框图系统的整体结构如图2-1所示。24v直流直接经并联的dc-dc开关电源模块降压到8v给负载供电。单片机控制系统利用ad转换芯片对两路的电流和负载的电压进行采样，并采用合适的分流算法去改变两路开关电源的输出电流。当输出电流大于保护设定值产生过流保护信号切断主电路，然后延时通电并过流检测，直到电路恢复正常为止。2.2 方案论证2.2.1 dc-dc电路设计方案选择 dc/dc变换电路是将一组电参数的直流电能转换为另一组电参数的直流电能的电路4。根据题目要求，本模块须采用dc/dc降压变换电路（buck电路），实现8v直流输出电压。buck电路的实现可以由分离原件与专用集成芯片组成。方案一：采用pwm控制的高频开关变压器实现。如图2-2所示，反激式dc/dc变换器开关管（tr）导通时，变压积能量，截止时输出能量。反激式优点是：结构简单、外围元件少，要扼流圈和续流二极管。输出电压公式： (2-1)并联时，由于是一个 pwm 控制器同时控两路，两路的开关管在高频下始终是导通和关断的，所以电容上始终保持同时充电和放电，因此并联时两路电流始终保持相等；缺点是：变压器存在漏感，将在原边形成很大电压尖峰，可能击穿开关器件；负载调整率差；电源效率低；能量由变压器t储存，体积较大，而且需要开气隙。图2-2 反激式dc/dc电路方案二：采用ti 公司的pwm 控制芯片tl494，驱动p沟道mos 管irf9630。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，内部自带5v基准，能够对输出电压实现精确控制。方案三：采用开关电压调节芯片lm2596-adj实现。lm2596能够输出 3a的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性5。可调版本可以输出小于 37v的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150khz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需外接少量元件，使用方便。以上三种方案都能满足电源效率不低于为60%,但是方案二需要使用pwm控制芯片tl494，所接外部器件比较多，而且需要自制高频开关变压器，性能无法得到保证；方案三采用lm2596芯片作为dc-dc 模块的主器件，具有可靠，稳定的性能，改变外部电阻可以较好的控制，所以采用第三种方案。2.2.2 分流方案选择 现在的均流方法有很多种，常用的有外特性下垂法、最大电流法、外部控制器法等，这里不再一一做详细介绍。方案一：我们分别采用两片tl494来为两路电源提供pwm，当两路并联时，利用其中一片tl494的一个内部误差放大器对电压进行调节，使其输出稳定在8v。利用两片高精度差动放大器ina133对两路电源的电流进行取样，将取样电压分别送入另一片 tl494 的一个内部误差放大器的正负输入端，通过两片 tl494 的内部误差放大器进行电流电压复合负反馈，从而进行稳压并实现均流。为了电路工作稳定，使误差放大器工作在闭环状态，此时通过调整误差放大器的放大倍数即可调节均流精度，但由于误差放大器的放大倍数有限，只能近似实现均流。方案二: 最大电流均流法。本方案采用负载共享控制器ucc29002实现。在dc-dc 模块正常工作时，将两路ucc29002的均流母线连接，此时 ucc29002将会自动选出电流最大的一路，并将此路电源作为主电源。均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电源的ucc29002接收到母线上的信号后，会控制该路dc-dc模块稍稍提高输出电压。通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。并且该方案可通过十分简单的电路完成任意路并联均流，且支持热插拔。方案三：主从均流法。主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。采用这种均流方法，精度高，控制结构简单，模块间联线少，易于拓展为多路。缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将瘫痪。方案四：采用数字控制技术实现分流。利用十位ad tlc1549单片机stc89c52检测采样电阻采样输出电流，利用合理的算法对电流进行分配，此硬件电路设计简单。根据上述几种方案的比较结合题目的控制要求，方案三的电路结构简单，不用使用软件算法，直接由硬件来实现。速度快且精度高，控制结构很简单，所以最终选择方案三来实现均流控制。2.2.3 过流保护电路方案选择 方案一：采用硬件过流保护功能，当检测到的电流值超过4.5a的短路阈值电流时，比较器输出高电平切断继电器，当电流值低于4.5a时，继电器又吸合，电路恢复工作。但是为了避免继电器频繁切换，必须经过一定的延时后再控制继电器吸合，因此增加了电路的复杂性。 方案二：采用软件过流保护功能，电流检测值超过4.5a时单片机控制继电器断开，经一定的软件延时后再控制继电器吸合。延时时间可以由软件任意设定，增加了控制的灵活性。因此我们选用方案二。2.2.4 辅助电源电路方案选择方案一：采用反激电路实现。一路反激电路可以同时输出+5v和+12v，但反激电路结构复杂，需要变压器，效率较低。方案二：基于单片开关电源lm2596降压电路方案。此方案每路电源只能有一路输出，在这里我们将用lm2596输出固定电压+5v，作为辅助电源来给系统中的芯片供电。但基于lm2596的降压电路外围器件很少，无需变压器和独立的开关管驱动电路，结构非常简单，调试方便。lm2596具有很好的线性和负载调节特性，在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差很小，并且具有自我保护功能，外围电路比较简单，仅需4个外围元件，且能够使用容易购买的标准电感。综合考虑，我们选择方案二来设计辅助电源。第3章 硬件电路设计3.1 dc-dc模块设计用一个lm2596接成可调的输出恒压源，通过改变电阻r3使输出电压为8v的恒压源。再用一个lm2596接成同样地电路，两模块并起来。负载上的电流为两模块的电流之和，可以通过调节负载改变负载上的电流。模块一如图3-1所示：图3-1 dc-dc电路图注：反馈线要远离电感，电路中的粗线一定要短，最好用地线屏蔽，调节输出电压的电阻r1、r3要靠近lm2596的4脚。输出电压的计算可由下式给出： （3-1）其中， 为了确保输出稳定，r1选用标称阻值为1k，精度为1%的电阻。其工作原理是：此电源芯片的4脚 feedback 端的电压稳定在1.23v，5脚on/off端由逻辑电平来电源芯片的打开和关断，1脚为输入端，2脚为输出端，芯片通过调整起输出脉宽来，脚电压稳定在1.23v，流入 feedback 端的电流为零，通过改变r3的值就可以改变电压的大小，影响电压输出的就是r1、r3的取值，现我们通过改变由r1、r3来实现我们所要设计的稳压源的电路。本次设计需要输出8v的电压，因此=5.5k两个模块相同，因此r6也取5.5k。3.2 电流检测模块设计电流检测电路如下图3-2所示，ad620是一个高精度低失调电压的仪表放大器，只需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000。并且ad620功耗很低，非常适合电池供电及便携式应用。而lm393是由两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路。它的失调电压很低，只有2.0mv。而且即使单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。这里我们只作为基本的比较器来应用。lm393为