毕业设计（论文）-多路直流电源并联供电.doc

编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计（ 论论文文 ） 题目：题目： 多路直流电源并联供电 物联网工程 学院 电气工程及其自动化 专业 学 号 学生姓名 指导教师 二一二年六月 摘要 i 摘要摘要 开关电源模块供电系统由并联稳压电源和检测控制系统组成该系统主要由 avr 高 档单片机 atmega81，2控制，主回路由两个 buck 斩波电路将 24v 转换为两个 8v 电源并 联输出测控电路由电阻分压实现电压检测，电流通过取样电阻，然后经过差分放大器 ad8205 送给单片机，单片机产生 pwm3信号控制 ir2103 来实现 mos 管的通断，已形 成闭环反馈电路保证输出电压的稳定和电流按规定比例分配，并使系统效率达到 75%以 上本系统具有系统效率高、精度高、稳压、输出文波小、负载短路保护及自动恢复功 能，自身抗干扰性强、调整速度快等优点 关键词关键词：单片机； 开关电源； pwm 控制 ； buck 斩波; abstract ii abstract switching power supply module power supply system was composed of shunt regulated power supply and control system testing. the system is mainly consists of a new avr high- grade mcu atmega8 control, the main return route two buck chopper circuit to convert the 24v to two 8v power output. measurement and control circuit is composed of a resistor divider voltage detection, current flows through the sampling resistor, and then through the differential amplifier ad8205for single-chip generated pwm signal to control the ir2103to realize the mos pipe on-off, has formed a closed loop feedback circuit to guarantee the stability of the output voltage and current at the prescribed proportion allocation, and make the system efficiency can reach above 75%. this system has the advantages of small volume, light weight, high conversion efficiency. its strong anti-interference, wide voltage range, adjusting speed, high accuracy, high system efficiency, voltage and current stabilizing, small output ripple, load short- circuit protection and automatic restoration of function etc key words: single chip microcomputer; switching power supply; pwm; buck; 目录 iii 目录目录 第 1 章 绪论.1 1.1 选题准备工作1 1.1.1 选题背景.1 1.1.2 选题的科学依据1 1.2 开关电源简介2 1.2.1 开关电源的定义和用途2 1.2.2 开关电源的发展2 1.2.2 开关电源的工作原理3 1.3 任务要求3 1.3.1 设计任务3 1.3.2 基本要求3 第 2 章 系统方案的比较和理论分析.5 2.1 方案比较和选择.5 2.1.1 dc/dc 模块.5 2.1.2 控制方法设计6 2.1.3 分流方案选择6 2.1.4 单片机选择.7 2.1.5 单片机供电方案选择8 2.1.6 系统总体方案描述.8 2.2 理论分析8 2.2.1 dc/dc 变换器的稳压方法.8 2.2.2 电压电流检测分析.9 2.2.3 过流保护9 第 3 章 硬件电路设计11 3.1 概述.11 3.2 整体模块设计11 3.2.1 dc 供电模块.11 3.2.2 电流电压检测设计.12 3.2.3 辅助电源模块设计.13 3.2.4 门极控制电路设计.14 3.2.5 显示部分设计16 3.3 主回路参数计算和器件选择17 3.3.1 磁芯和线径的选择.17 目录 iv 3.3.2 主回路及参数设计.17 3.3.3 位开关电源选着合适的电感19 3.3.4 控制电路设计20 3.3.5 效率分析20 3.3.6 保护电路设计20 3.3.7 其他元器件选择21 第 4 章 软件部分设计23 4.1 atmega8 介绍.23 4.2 主程序流程图24 4.3 初始化框图.24 4.4 输入部分流程图25 4.5 处理部分流程图25 4.6 输出部分流程图27 第 5 章 指标测试和总结29 5.1 测试所需仪器29 5.2 调试可能遇到的问题29 5.3 指标测试29 5.4 可能出现的误差29 5.5 总体结论29 参考文献31 致谢.32 附录.33 附件一 主要原器件清单.33 附件二 系统原理图（无显示部分）34 多路直流电源并联供电 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.11.1 选题准备工作选题准备工作 1.1.1 选题背景选题背景 随着电力电子技术的发展,以及大量电子设备的广泛应用,对大容量、高安全可靠性电 源系统的需求日益迫切受目前半导体开关器件水平的限制,单台大容量(兆瓦级)电源技术 尚不成熟,因此模块化的大功率电源系统应运而生,即多个并联运行的大功率电源模块共同 为负载提供电能受误差的不可避免性和工艺水平的限制等因素影响,并联运行的各电源 模块的参数都会存在差异,致使其外特性不尽相同带载运行时,会导致输出电流大的电源 模块热应力变大,损坏机率上升,可靠性降低因此,在多电源模块并联运行的电源系统中必 须引入有效的负载电流均流控制,防止一台或多台电源模块运行在电流极限值(限流)状态 在 2011 年下半年里，我在无锡金枫林电器有限公司实习，实习期间我做过插件、手 工焊、面板组装、检测和维修等，培养了了做事细心、耐心并有责任心主要工作学习 了解用单片机做的淋浴控制器应用，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，为能较好完成今年的毕业设计做好基础在此我要感谢实习期间给我帮助 的同事和领导，也预祝自己的论文能够早日完成 1.1.2 选题的科学依据选题的科学依据 国内开关电源技术的发展【4】，基本上起源于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初当时 引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段20 世纪 80 年代中期开关电源产品开始推广和应用20 世纪 80 年代开关电源的特点是采用 20khz 脉宽调制（pwm）技术，效率可达 65%70%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功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率 mosfet 和 igbt 可使小型开关电源的工作频率达到 400khz(ac/dc)或 1mhz(dc/dc);软开关技术使 高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的 效率（国产 6kw 通信开关电源采用软开关技术，效率可达 93%）；控制技术的发展以及 专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠 性大大提高；有源功率因数校正技术（apfc）的开发，提高了 ac/dc 开关电源的功率 因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率 在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位在开关电源应 用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式经过 20 余年的不懈努力， 逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化现在，我国已形成一批上亿元 甚至 10 亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场我国信息产业、国防工业、 家电行业，特别是电信业的迅猛发展，是电源市场发展的强大推动力国家统计局最新 资料显示，当前我国电子信息产业的产区、产出，销售总规模以及对国家经济增长的贡 献均居全国工业行业之首，成为我国工业第一支柱产业开关电源巨大的市场需求孕育 了大批电源生产企业目前成规模的企业有十几家，分为 3 种类型：第一类是自主研制 开发，已生产出具有先进水平的系列电源产品，不仅可以满足各种电子设备的需求，而 多路直流电源并联供电 2 且在航空、铁路、电力、国防及家电等领域中得到了广泛应用；第二类是中外合资企业， 采用国外较为先进的技术，在国内用户中有较高的信誉度；第三类是进口部件在国内组 装，然后直接销售到国外市场这些产品质量好但成本也高，对国内市场的适应能力 差每年几十亿元的电源市场孕育了几百家开关电源生产企业，而且已有大量的国外产 品和公司进入国内，今后的竞争将是技术的竞争、质量的竞争和服务的竞争，品牌效应 越来越突出市场的竞争和发展必将促使产业内部分化和重组，实现大企业的产品互动 和整合营销，而适应不了市场竞争的企业将被淘汰 1.21.2 开关电源简介开关电源简介 1.2.1 开关电源的定义和用途开关电源的定义和用途 开关电源【5】是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳 定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制 ic 和 mosfet 构 成开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长 速率各异线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反 转点随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本 反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间 开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、led 照明、工控 设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电 子冰箱，液晶显示器，led 灯具，通讯设备，视听产品，安防，电脑机箱，数码产品和 仪器类等领域 1.2.2 开关电源的发展开关电源的发展 开关电源高频化是其发展的方向【6】，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入 更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年 以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展开关 电源可分为 ac/dc 和 dc/dc 两大类，dc/dc 变换器现已实现模块化，且设计技术及生 产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但 ac/dc 的模块化，因其自 身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题另外，开关电 源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义开关电源中 应用的电力电子器件主要为二极管、igbt 和 mosfetscr 在开关电源输入整流电路及 软启动电路中有少量应用，gtr 驱动困难，开关频率低，逐渐被 igbt 和 mosfet 取 代 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化由于开关 电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发 新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大 科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化 也是一项关键技术smt 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布 置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄开关电源的高频化就必然对传统的 pwm 开关 技术进行创新，实现 zvs、zcs 的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高 多路直流电源并联供电 3 了开关电源的工作效率对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流， 降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高 1.2.2 开关电源的工作原理开关电源的工作原理 所谓开关电源【7,8】，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电 源就停止通过，那么什么是门呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两 个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完 成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通， 通过开关控制传到次级，再通过占空比将电压升高或降低，供各个电路工作开关电源 的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源 不同的是，pwm 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中， 加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高， 电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗 与线性电源相 比，pwm 开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值 等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节控制 器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似也就是说 控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同他们的不同 之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度 转换单元 1.31.3 任务要求任务要求 1.3.1 设计任务设计任务 设计一个有两个额定输出功率均为 16w 的 8v dc/dc 模块并联供电系统（见图 1- 1）. 图 1-1 两个 dc/dc 模块并联供电供电系统主电路示意图 1.3.2 基本要求基本要求 （1）调整负载电阻至额定输出功率输出状态，供电系统的直流输出电压， 且额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60% （2）调整负载电阻，保持输出电压，当两个模块输出流 多路直流电源并联供电 4 之和 io=1.0a,且按 i1：i2=1：1 模式自动分配电流；当两个模块输出电流之和 io=1.5a,且 按 i1：i2=1：2 模式自动分配电流；当负载电流 io 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 （3）具有负载短路保护及自动恢复工作，保护阈值电流为 4.5a 多路直流电源并联供电 5 第第 2 章章 系统方案的比较和理论分析系统方案的比较和理论分析 2.12.1 方案比较和选择方案比较和选择 据题目要求，调整负载电阻至额定输出功率状态，供电系统保持输出电压 u0=8.00.4v，保证供电效率不低于 75%，使两个模块输出电流之和 i0=1a 且按 i1:i2= 1:1 模式和 i0=1.5a、i1：i2=1:2 自动分配电流对此，我们考虑以下几种方案： 2.1.1 dc/dc 模块模块 在大功率 dcdc 开关电源中，为了获得更大的功率，特别是为了得到大电流时， 经常采用 n 个单元并联的方法多个单元并联具有高可靠性，并能实现电路模块标准化 等优点 方案一： 采用异步 buck 变换器，该拓扑结构简单，只需对一个开关管进行控制，因此控制 思路非常简单但由于在大电流时，异步 buck 电路中的续流二极管和开关管的功耗增 加，成为电路中的主要功耗，这会使电路工作在大电流时的效率降低,故不采用此种结 构 方案二： 采用 pwm 控制的高频开关变压器实现9如图 2 所示，反激式 dc/dc 变换器开关 管（tr）导通时，变压器累积能量，截止时输出能量反激式优点是：结构简单、外围元 件少输出电压公式： (2-1) 缺点是：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，不能满足本系统按比例分配电流的要求；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 2-1 反激式 dc/dc 电路 方案三： 降压斩波电路10原理图如图 3 所示，直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定 电压或可调直流电，也成为直接直流-直流变换器降压斩波电路就是直流斩波中最基本 多路直流电源并联供电 6 的一种电路，是用 mosfet 作为全控性器件的斩波电路，电力 mosfet 是用栅极电压控 制漏极电流的，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定 性好，输入阻抗高，具有功率晶体管电压、电流容量大等的优点工作原理当 mos 管导 通时电源电压向负载供电；当 mos 管处于断态时，负载电流经二极管 d 续流，电源电压 接近于零，至一个周期结束，再驱动 mos 管导通，重复上一个周期的过程 u i l io v q r u od 图 2-2 buck 斩波电路 综合以上比较，我选择方案三 2.1.2 控制方法设计控制方法设计 方案一： 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负载电流在康铜丝上的取样经 a/d 后输入单片机， 当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护该方案主要由软件实现，控制精度 高，与电压比较器相连可实现自动恢复过流保护功能 方案二： 采用恒频脉宽调制控制器 tl494，tl494 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开 关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电 源脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从 0.5v 变化到 3.5 时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零2 个误差放大器具有从0.3v 到(vcc2.0)的共模输入范围，这可从电源的输出电压和电流 察觉的到误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行 “或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路这个芯片 推荐单端输出，虽调整速度快但精度不高 综合比较，我们选择方案一 2.1.3 分流方案选择分流方案选择 方案一：主从法 在并联运行的电源模块单元中，选定一个电源模块单元作为主电源模块，其余电源 模块作为从模块，主电源模块工作于电压源方式而从电源模块工作于电流源方式，电 流值可独立设置，在这种方式下，一旦主模块失效，则整个系统崩溃，不具备冗余功 能这种方式的优点是：实现简单，可扩充性好缺点是：容错性差，可靠性不高，主 模块连线较多 多路直流电源并联供电 7 方案二：平均电流自动值均流法 这种方法不用外加均流控制器，电路简单，容易实现在各电源模块单元间都通过 一个电流传感器级一个采样电阻接到一条公共均流母线 csb,均流母线的电压是 n 个电源 模块代表各自输出电流的电压信号的平均值与每个电源模块的采样电压信号比较 后通过调节放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流达到均流目的，如 下图所示平均电流法可以精确地实现均流，但当公共母线 csb 发生短路或接在母线上 的任一电源模块单元不工作时，使电压下降，结果促使各电源模块输出电压下调，甚至 达到下限值，引起电源系统故障如下图所示: 图 2-3 平均电流自动值均流发 方案三: 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 方案四： 采用数字控制技术实现分流利用 8 位 ad 转换单片机 atmega8 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，故采用方案四 2.1.4 单片机选择单片机选择 方案一：采用 at89c51 单片机进行控制51 单片机外接 a/d 和 d/a 比较简单，操 作 方便，但是由于本题的功耗要求特别严格，对效率的提高不利 方案二：采用低功耗单片机 atmega8-8pu，这是一个完全集成的混合信号 系统级 mcu 芯片内部集成 8 位 a/d 功能，且这个单片机管脚丰富，操作简单 考虑到效率的要求采用方案二 2.1.5 单片机供电方案选择单片机供电方案选择 方案一：用集成三端稳压器来供电，由于uin端输出电压比较高，变化范围大，而 单片机系统只需 5v 供电，若采用 7812，7805 两级降压来供电，会大大降低效率 多路直流电源并联供电 8 方案二：采用开关型稳压降压芯片 lm2576，输入允许范围大，效率比较高，输出电 压为+5v,输出电流可达 600ma,驱动能力强对于负电源，可通过芯片 icl7660 进行转 换 考虑效率的要求【11】，本设计采用了方案二 2.1.6 系统总体方案描述系统总体方案描述 本系统采用单片机作为数据处理和控制核心，辅以 buck 电路、采样电阻作电流采集 等电路，系统输出电压 8v 稳定，两个模块电流可以按固定比例输出,供电系统效率达到 75%以上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，然后延时一定时间后重新通电工作并进行过流检测，直到电路 恢复正常为止将设计任务划分为 dc/dc 供电模块设计、电压电流反馈电路设计、单片 机控制电路设计、控制算法设计系统整体框图如下12： 图 2-4 系统框图 2.22.2 理论分析理论分析 2.2.1 dc/dc 变换器的稳压方法变换器的稳压方法 本系统采用同步整流技术实现了 dc-dc 变换器，在连续电流输出的模式下，其输出-输入 电压变换比为： (2-2) d 为输出 pwm 的占空比，由此式可以求得输出 pwm 的占空比 多路直流电源并联供电 9 单片机通过电压反馈回路采集输出电压的大小然后通过算法实时调节占空比使输出电压 稳定在 8v0.4 的范围内 2.2.2 电压电流检测分析电压电流检测分析 电压检测：对输出电压进行分压采样，即在输出端并接两个分压电阻，由采样电阻 采集两模块的输出电压作为单片机的输入，进入单片机的 ad 转换通道 电流检测：在输出端串接一个 0.02 的小电阻，将流经其的电流转换为电压进行采集， 由于采样电阻值较小，故而采样的电压也小所以我们又用差分放大电路对采样电压值 进行放大，同时抑制共模干扰将采样的电流值经电阻降压后送入单片机的 ad 转换通 道 系统使用单片机自带的 8 位 a/d,根据 a/d 转换器的分辨率公式有，分辨率为 vef-单片机供电电压，n-ad 位数，可见内置 a/d 完全可以满足设计的需求 2.2.3 过流保护过流保护 很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备所以有些 设备就做了电流保护模块当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备本 系统中通过单片机实时采集输出电流的大小,然后与过流保护阈值比较，当采集的电流大 于电流阈值时，单片机停止输出 pwm 使 dc-dc 模块停止工作，然后以一定时间间隔再 次采集输出电流，当采集的电流低于阈值电流，则单片机按上电时刻设定的占空比输出 pwm 使 dc-dc 重新工作 多路直流电源并联供电 10 多路直流电源并联供电 11 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.13.1 概述概述 本系统主要与 dc/dc 转换模块，电流电压检测模块，单片机，门极控制模块，显示 模块及辅助电源模块具体流程见下图 dc/dc变变换换电电流流电电压压检检测测单单片片机机 辅辅助助电电源源模模块块栅栅极极控控制制电电路路显显示示部部分分 图 3-1 硬件模块流程图 3.23.2 整体模块设计整体模块设计 3.2.1 dc 供电模块供电模块 在输入电压和效率已确定时，使得该 dc/dc 模块必须要用开关电源方式实现，由于 没有限制一定要隔离输出，所以考虑使用 buck 结构实现为了实现高效率的 dc-dc 转 换，本模块采用同步整流技术实现了高效率的 dc-dc 转换该模块电路采用 mos 管驱 动芯片 ir2103 驱动同步半桥，半桥输出端通过选择合适的电容，电感构成的 lc 低通滤 波器实现了 dc-dc 的转换，此种拓扑结构控制简单，原理通俗易懂，经过多方论证该电 路的转换效率高满足本设计的要求 多路直流电源并联供电 12 1 2 j1 c on 2 c 1 0.01uf c 2 0.01uf c 3 1000uf c 4 0.01uf c 5 0.01uf c 6 1000uf l 1 126mh l 2 126mh q 1 m os fe t n q 2 m os fe t n d 1 in 5822 d 3 in 5822 d 2 d 4 d io de 1 2 j? c on 2 图 3-2 buck 电路 其中 c1、c2 起稳压作用，l1 和 c2、c3 构成滤波电路，二极管用来保护电源根 据小电容滤高频，大电容滤低频，故选 c2 0.01uf,c3 1000uf.其工作原理：当 mos 管导 通时，电源向负载供电，电感储能，负载电流增大；当 mos 管关断时，电感释放能量， 通过续流二极管构成回路 3.2.2 电流电压检测设计电流电压检测设计 根据系统的均流方案的要求，需对两路 dc-dc 模块中的电流分别进行采集由于两 路 dc-dc 模块是并联连接，当系统正常工作时，在输出端的电流检测点有 8v 的共模电 压，所以采用的电流检测运放的共模输入电压范围必须大于 24v这里可采用差分放大器 lm324 或专用电流检测器 ad8205，他们的共模输入电压范围都大于 8v但要使 lm324 的共模输入电压范围大于 8v，lm324 的供电电压必须大于 8v，而且当采用 12v 供电时， 线性度在采样电压的两极限值附近变坏，同时若器件损坏，12v 的电压会传给单片机，造 成单片机的损坏然而 ad8205 是专用的差分放大器，在 5v 供电时共模输入电压范围高 达 70v,还可以避免在调试过程中因输出电压升高而烧坏芯片此外，它的瞬态响应快， 特别适合闭环系统中的快速检测所以在此选用 ad8205 因为单片机的采样电压不得高于 5v，而输出端的电压却有 8v，所以需要电阻串联分 压（如图 3-3） 多路直流电源并联供电 13 1 2 j1 c on 2 r 2 10 k r 3 5.1k r 1 0.02 1 1 2 2 3 3 4 4 8 8 7 7 6 6 5 5 j2 a d8 20 5 d pc0 23 pc1 24 入入入 1 2 入入入入 v cc 图 3-3 电压电流采样 其中 r2、r3 分别为 10k、5.1k 是大电阻，r1 为 0.02，电流从 r1 上流过，产生电 压送入 ad8205r3 上的电压 vout 直接输入到单片机 （3-1） ad8205 是美国模拟器件公司推出的一种单电源高性能的差分放大器，典型单电源供 电电压为 5v，其共模电压输入范围为-265v，适用于高共模电压下检测小差分电压它 的固定增益为 50v/v.本系统采用单极性输出 3.2.3 辅助电源模块设计辅助电源模块设计 本系统只提供了 24v 的电源电压，单片机及 ad8205 均需要 5v 的电源电压该辅助 供电模块采用高效率的电源管理芯片 lm2576 设计并制作了两路供电模块为系统的外围 模块供电，该芯片输入电压范围宽（5-40v），效率高，可达 75%以上电路原理简单， 效率高，该芯片通过电阻分压网络的调节 2 脚电压的大小从而调节输出电压的大小（如 图 3-4） 1 +vin 4 fe e db a ck 2 o ut put 3 gnd 5 on/off l m2 57 6 10 0u f10 00 uf l 10 0u h d 1 in 58 22 24 v 入入 5v 入入 图 3-4 5v 输出辅助供电模块 多路直流电源并联供电 14 图 3-5 lm2576 内部结构 lm2576 系列是美国国家半导体公司生产的 3a 电流输出降压开关型集成稳压电路， 它内含固定频率振荡器（52khz）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路，包 括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路 lm2576 是线性三端稳压器件（如 78xx 系列端稳压集成电路）的替代品它具有可 靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为 mcu 的稳定、可靠 工作提供了强有力的保证 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 端由逻辑电平来控 制电源芯片的打开和断开，1 脚为输入端，2 脚为输出端，芯片通过调整起输出脉宽来使 4 脚电压稳定在 1.23v，流入 feedback 端的电流为零，通过改变 r2 的值就可以改变输出 电压的大小，影响电压输出的就是 r1，r2 的取值，现我们通过改变由 r1,r2 组成的反馈 电路来实现我们要设计的稳压源的电路此系统中需输出 5v 电压，故 r2=3.3k 3.2.4 门极控制电路设计门极控制电路设计 q 2 m os fe t n 1 2 3 j4 k a7818 r 7 47 c 7 10uf 1 1 2 2 3 3 4 4 8 8 7 7 6 6 5 5 j5 ir 2103 d 5 in 4148 c 9 0.1u f r 9 10k in 4148 入入入入入 v cc 多路直流电源并联供电 15 图 3-6 mosfet 的门极控制电路 其工作原理是：由单片机输出占空比大小可调节 pwm 波形送入 hin 接头，由 ho 输出 mos 管所需的方波ka7818 为 ir2103 提供工作电压 ir2103 的介绍 图 3-7 ir2103 的内部结构 图 3-8 ir2103 输入输出波形图 表 1 ir2103 的引脚 编号管脚 1vcc 2hin 3 lin 4com 5lo 6vs 7ho 8vb 多路直流电源并联供电 16 ir2103 是双输入双 mosfet 驱动块,在使用时可变通为单输入双输出,只需把 2.3 脚并 在一起输入即可使用时注意,5 脚高电平有效,7 脚低电平有效,在用 pwm 信号输入时,应 注意输出管的极性,否则会出现 pwm 信号关断而输出管继续导通状态作单输出时任选 一个输出端用示波器观察结果是 5 脚输出正方波脉冲,7 脚输出负方波脉冲,同受 pwm 控制最佳工作电压为 812v,是个应用广泛的器件 3.2.5 显示部分设计显示部分设计 该系统采用 6 个数码管分别显示两路电流的大小6 个数码管采用共阳接法，正极接 5v 电源，阴极均接在 i/o 接口上，另选出 6 个 i/o 接口作为片选信号六个数码管采用 延时重复显示数字，每三个数码管显示一路电流当电流过小时，则通过单片机增加 mos 管导通时间，提高电压，增大电流反之亦然 数码管介绍：数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码 管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、 4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管共阳数 码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管，共阳数码管在 应用时应将公共极 com 接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段 就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮共阴数码管是指将所有发光 二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 com 接到地线 gnd 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮， 当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要 的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类 静态显示驱动 ：静态驱动也称直流驱动静态驱动是指每个数码管的每一个段码都 由一个单片机的 i/o 端口进行驱动，或者使用如 bcd 码二-十进制译码器译码进行驱 动静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 i/o 端口多，如驱动 5 个数码 管静态显示则需要 58=40 根 i/o 端口来驱动，要知道一个 89s51 单片机可用的 i/o 端口 才 32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性 动态显示驱动 ：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一， 动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个 数码管的公共极 com 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 i/o 线控制，当单片机 输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形， 取决于单片机对位选通 com 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控 制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮通过分时轮流控制各个数码 管的 com 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动在轮流显示过程中，每 位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管 实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定 的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 i/o 端口，而且功耗更低 多路直流电源并联供电 17 单片机 图 3-9 数码管的连接方式 3.33.3 主回路参数计算和器件选择主回路参数计算和器件选择 3.3.1 磁芯和线径的选择磁芯和线径的选择 当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应电流或电 压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截 面积中线径的选择主要由本系统的开关频率确定开关频率越大，线径越小，但是所 允许经过的电流越小，并且开关损耗增大，效率降低本系统采用的频率为 44k，查表得 知在此频率下的穿透深度为 0.3304mm,直径应为此深度的 2 倍，即为 0.6608mm选择的 awg 导线规格为 21#，直径为 0.0785cm（含漆皮）.磁芯选择铁镍钼磁芯，该磁芯具有高 的饱和磁通密度，在较大的磁场下不易饱和，具有较高的导磁率、磁性能稳定性好（温 升低，耐大电流、噪声小），适用在开关电源上 3.3.2 主回路及参数设计主回路及参数设计 1）工作原理，分两个阶段 t=0 时 v 导通，e 向负载供电，uo=e，i0按指数曲线上升 t=t1 时 v 关断 i0经 vd 续流，uo 近似为零，i0呈指数曲线下降 为使 i0连续且脉动小，通常使 l 值较大. u i l io v q r u od 图 3-10 降压斩波电路的原理图及波形 2）数量关系 电流连续时，负载电压平均值 多路直流电源并联供电 18 （3-2） a导通占空比，简称占空比或导通比 u0最大为 e，减小 a，u0随之减小降压斩波电路也称为 buck 变换器（buck converter） 负载电流平均值 （3-3） 电流断续时，u0平均值会被抬高，一般不希望出现 图 3-11 电流连续与不连续的两种波形 电感较大时输出波形叫平缓，波动小，有利于系统工作 3)斩波电路三种控制方式 （1）脉冲宽度调制（pwm）或脉冲调宽型t 不变，调节 ton （2）频率调制或调频型ton不变，改变 t （3）混合型ton和 t 都可调，使占空比改变 这里，我们采用 pwm 波形控制，对于具体的器件参数值设计如下： 流过电感 l 的电流最大值 （3-4） 开关管和续流二极管承受的最大电压为 开关管和续流二极管的电压定额为 多路直流电源并联供电 19 （3-5） 开关管和续流二极管的电流额定值为 （3-6） 3.3.3 位开关电源选着合适的电感位开关电源选着合适的电感 电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电 流电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”换句话说，由于 磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰 电感为 磁性元件，自然有磁饱和的问题有的应用允许电感饱和，有的应用允许电感从一定电 流值开始进入饱和，也有的应用不允许电感出现饱和，这要求在具体线路中进行区 分大多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随着端电压与电 流而变化但是，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感的绕线将导致两个分布参 数(或寄生参数)，一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布 式杂散电容杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某 个值以上时，电感也许变成电容特性了如果将杂散电容 “集中”为一个电容，则从电 感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性 当分析电感在线路中的工作 状况或者绘制电压电流波形图时，不妨考虑下面几个特点： 1. 当电感 l 中有电流 i 流过时，电感储存的能量为： e0.5li2 (3-7) 2. 在一个开关周期中，电感电流的变化(纹波电流峰值)与电感两端电压的关系为： v(ldi)/dt (3-8) 由此可看出，纹波电流的大小跟电感值有关 3. 就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程电容上的电压与电流 的积分(安秒)成正比，电感上的电流与电压的积分(伏秒)成正比只要电感电压变化， 电流变化率 di/dt 也将变化；正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降 因此，计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹 波而言非常重要 本设计为降压型开关电源 为降压型开关电源选择电感器时，需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频 率、最大纹波电流、占空比下面以图 17 为例说明降压型开关电源电感值的计算，首先 假设开关频率为 44khz、输入电压范围 24v、输出电流为 1a、最大纹波电流 300ma 多路直流电源并联供电 20 入入入 i0入入 v 入入入入 24v 入入入入 入入入入 8v d io de 图 3-12 降压型开关电源的电路图 求峰峰值为 10mv500mv 最大输入电压值为 24v，对应的占空比为： dvo/vi8/240.333 (3-9) 其中，vo 为输出电压、vi 为输入电压当开关管导通时，电感器上的电压为： vviv016v (3-10) 当开关管关断时，电感器上的电压为： v-vovd-8.3v (3-11) dtd/f (3-11) h 这里我们取 2mh 3.3.4 控制电路设计控制电路设计 控制电路选用 atmega8 来产生 pwm 波形，控制 mos 管的导通24v 直流电源通 过三级稳压管 lm2576 稳在 5v 作为单片机的工作电压单片机的输入接有 10k 左右的电 阻以保护电路 3.3.5 效率分析效率分析 输出功率计算公式：u0 ，输入功率计算公式： 0 由于题目要求 dc/dc 变换器（控制器）都只能由端供电，不能另加辅助电源， 所以单片机及一些外围电路消耗功耗要尽量的低为此，在设计本系统时单片机采用低 功耗单片机 atmega8,该系统集成了 6 路 10 位 a/d.减少了外加 a/d 和 d/a 的功耗提高 效率主要是要降低变换器的损耗，变换器的损耗主要有 mosfet 导通损耗, mosfet 开 关损耗 mosfet 驱动损耗，二极管的损耗、输出电容的损耗，和控制部分的损耗，这些 损耗可以通过降低开关频率等方法来降低 3.3.6 保护电路设计保护电路设计 康铜电阻的大小选择：康铜丝主要起两个作用，过流保护和测试负载电流康铜丝 接在整流输入地和负载地之间，越小越好，这样会使两个地之间的电压很小但是如果 太小由于干扰问题会造成过流保护的误判，并且对于后级运放的要求比较高，经过实验， 选择 0.02 欧姆的电阻效果比较好 多路直流电源并联供电 21 康铜电阻上的压降，与预先调好的值进行比较.若电流过大，输出低电平，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，单片机就会输出低电平，重新产生 pwm 波形，所以 该电路具有自恢复功能 3.3.7 其他元器件选择其他元器件选择 a）大功率电阻的选择：在本设计中有些电阻要流大电流，功率要求特别大，所以在 大电流处一定要选择功率大的电阻 b）1rfz44n 是 n 沟道 mos 场效应管，55 伏，49 安，94 瓦to-220ab 封装，管 脚向下，面对有字的一面，从左到右依次为：g 栅极，d,s. 该芯片具有开关速度快，导 通压降小，而且功耗比较低，专用于 dc-dc 变换，是构成升压电路的关键芯片，所以设 计中采用了这个芯片 c） mos 的驱动电路：ir2103 电源的选择：在设计图中前端的稳压电源选择特别 重要，这里是引来给芯片供电的，若选得太小，在调输入电压时会引起芯片的工作不稳 定选择了一个 ka7818 降压芯片输出 18v 的稳压源，在题目要求的调节范围内不会影 响