电气开关电源并联供电系统论文

1、 . . 15/15目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc29655 绪论 PAGEREF _Toc29655 3 HYPERLINK l _Toc15084 1 系统设计要求 PAGEREF _Toc15084 3 HYPERLINK l _Toc24610 1.1系统总体设计要求 PAGEREF _Toc24610 3 HYPERLINK l _Toc22157 1.2系统功能概述 PAGEREF _Toc22157 3 HYPERLINK l _Toc216 1.3系统设计思路 PAGEREF _Toc216 4 HYPERLINK l _Toc23107 2系

2、统的设计方案论证 PAGEREF _Toc23107 4 HYPERLINK l _Toc587 2.1 DC-DC模块方案选择 PAGEREF _Toc587 4 HYPERLINK l _Toc30156 2.2电流检测方案选择 PAGEREF _Toc30156 5 HYPERLINK l _Toc32556 2.3为各芯片供电的5V电源方案选择 PAGEREF _Toc32556 5 HYPERLINK l _Toc853 2.4主控芯片的选择 PAGEREF _Toc853 6 HYPERLINK l _Toc29230 2.5过流保护方案的选择 PAGEREF _Toc29230

3、6 HYPERLINK l _Toc24344 3系统硬件设计 PAGEREF _Toc24344 6 HYPERLINK l _Toc10671 3.1主控电路原理图 PAGEREF _Toc10671 6 HYPERLINK l _Toc7387 3.2DC-DC主从模块原理图 PAGEREF _Toc7387 6 HYPERLINK l _Toc30132 3.3电流检测模块原理图 PAGEREF _Toc30132 7 HYPERLINK l _Toc4737 3.4ADC和DAC模块原理图PAGEREF _Toc4737 8 HYPERLINK l _Toc19133 3.5显示和输

4、入模块原理图 PAGEREF _Toc19133 8 HYPERLINK l _Toc10256 3.6过流模块和5V电源原理图 PAGEREF _Toc10256 8 HYPERLINK l _Toc10296 4 系统软件设计 PAGEREF _Toc10296 9 HYPERLINK l _Toc8394 4.1总体软件设计 PAGEREF _Toc8394 9 HYPERLINK l _Toc18340 4.2子程序设计 PAGEREF _Toc18340 9 HYPERLINK l _Toc28250 4.2.1软件滤波 PAGEREF _Toc28250 9 HYPERLINK l

5、 _Toc409 4.2.2键盘输入 PAGEREF _Toc409 9 HYPERLINK l _Toc26148 4.2.3ADC和DAC模块软件设计 PAGEREF _Toc26148 10 HYPERLINK l _Toc88 5 系统分析 PAGEREF _Toc88 10 HYPERLINK l _Toc12845 5.1制作调试分析 PAGEREF _Toc12845 10 HYPERLINK l _Toc21390 5.2调试结果与分析 PAGEREF _Toc21390 10 HYPERLINK l _Toc25149 6小结 PAGEREF _Toc25149 11 HYP

6、ERLINK l _Toc22377 参考文献 PAGEREF _Toc22377 11 HYPERLINK l _Toc26412 附录：部分软件程序 PAGEREF _Toc26412 12开关电源并联供电系统的研究与实现许家龙 物理与电子信息学院摘 要：本文通过对开关电源并联技术的分析，在原有单一技术的基础上，提出了新型的开关电源并联技术的方案，该方案在保持传统均流技术的同时，能控制各模块的分流比，使得额定功率不同的模块可以并联工作，解决了传统技术的弊端。文章首先对课题的研究背景、意义以与发展现状进行了简要的介绍，在后续章节中则分别完成了系统总体方案设计、系统硬件设计以与软件设计等，最后

7、结合硬件与软件对系统进行了调试与测试。关键词：开关电源；并联；均流技术；分流比The research of parallel switching powersupplyXuJialong College of Physics and Electronic InformationAbstract:The paper proposes a new type of switching power supply in parallel program on the basis of the original single technology by the analysis fo parallel

8、switching power supply technology.The schemes can control the split ratio of each module and also maintain the traditional technological superiority at the same time,making the nominal power module can work in parallel to solve the drawbacks of traditional techniques.The article firstly introduces t

9、he research background, significance and development status,the subsequent chapters respectively complete overall system design,hardware design and software design.Finally,I debug and test the system with the combination of hardware and software.Keywords:switching power supply; parallel; current sha

10、ring;split ratio 绪论在大量电子设备的实际使用中，往往因为单个电源的参数（如电压，电流，功率）不满足要求或发生故障，这种就会引起整个系统效率低下或系统崩溃，所以在实际应用常采用多个电源并联运行。随着这方面研究的不断深入，开关型电源逐渐突显出其优越性，并联供电系统更是在此基础上的一大改进1。多模块并联运行的分布式电源系统代替集中式电源供电系统已成为大容量高频开关电源系统发展的一个重要方向。和集中式供电系统相比，分布式电源有更多的优点：能提高系统的灵活性;可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了电源模块的功率密度，提高了系统的可靠性。并且分布式系统可非常方便的实现并联方式的扩展，

11、可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成智能化大功率供电电源，这样就大大减轻了对大功率元器件和装置的研制压力。传统的开关电源并联供电技术主要是均流技术，即各个模块额定功率一样，要求每个模块负担的功率一样，这样的技术国国外已相当成熟，解决了实际中的许多问题。但是随着工业科技的发展，均流技术已满足不了不同额定功率电源的组合供电问题，主要是因为均流技术要求每个模块输出功率一样，当不同模块并联供电时，只能取最低额定功率输出的模块为标准供电，大大浪费了高功率电源模块的效率。所以，本文提出了一种可控制各模块功率的方案，该方案能保持传统的均流技术的同时，可自设定每个模块的功率输出，能高效率的

12、使用各个模块的“潜能”，在提高了系统的供电效率的同时大大减低了系统的成本。1 系统设计要求1.1系统总体设计要求 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（见图1.1)。图1.1 两个DC/DC模块并联供电系统电路示意图1.2系统功能概述（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）保持输出电压Uo=8.00.4V，使两个模块输出电流之比为1:1 即均流模式，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。保持输出电压Uo=8.00.4V，手动输入两

13、个模块的电流比，设定完成后，要求每个模块的输出电流相对误差绝对值不大于5%。（5）具有负载短路保护与自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有0.2A 的偏差）。1.3系统设计思路 本课题研究的并联供电技术是众多并联供电系统均流技术中的一种衍化而来，该均流技术为强迫法，即在多模块并联供电时，指定某一模块为主模块，用于控制输出电压稳定，其余模块为从模块，从模块中有控制电路，用于控制自身电流输出，从而“强迫”其它模块输出电流大小，达到均流目的。 本设计方案在均流基础上实现“不均流”的目标，主要是想控制各模块的输出功率比，利用的技术为“强迫法”，以单片机、开关电源芯片为核心，电流、电压采集电

14、路组成，实现了两个DC-DC模块并联稳定输出电压同时可以任意控制功率输出比。2系统的设计方案论证开关电源并联供电系统的硬件总体框图请参见图2.1总干路电流检测模块主控模块模数转换模块显示模块DC-DC主模块电流检测模块输入模块DC-DC从模块过流保护模块数模转换模块图2.1 系统框图2.1 DC-DC模块方案选择 方案一：基本元件搭建开关电源，包括PWM波的发生电路、比较器，放大器，调整管等。 方案二：采用成熟的开关电源PWM波发生芯片TL494，该芯片应用较广，功能很强。方案一采用基本元件如运放，比较器，可以更好的理解开关电源的结构与原理，但是搭建电路时间较长，且元器件众多，相比成本也更高，

15、且不稳定。而采用TL494芯片，结构简单，工作稳定，性价比更高2，所以这里采用方案二的设计。2.2电流检测方案选择 方案一：小电阻检测电流法，通过检测小电阻R两端的电压差V，来检测其电流I（I=V/R)。方案二：基本滤波器电流检测法，电路图如图2.2所示，其中，Vc是检测电容Cs的电压，iL是电感L上流过的电流，Vin是直流输入电压，V是直流输出电压。电感的等效串联寄生电阻是RL。其基本思想是通过检测电容电容电压V来检测电感电流信号I，当器件匹配条件符合时，检测电压信号便可反映检测电流信号。图2.2 基本滤波器法电路图方案三：电流传感器法，其所依据的工作原理主要是霍尔效应，当原边导线经过电流传

16、感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS3。方案一的方式简单，但是为了有较高的电流检测精确度，需要的采样电阻也很大（一般为0.1欧姆以上），这样就会导致电源整体效率的降低。方案二方法较复杂且要求电感的阻值越高越好，但实际中的电感阻值很低，这里不予采用。方案三，简单方便，不需要采样电阻，只需将导线穿过传感器即可，这里选择方案三。2.3为各芯片供电的5V电源方案选择 方案一：采用常用的稳压芯片7805，价格便宜，简单方便。 方案二：采用开关电源芯片LM2596,能够

17、提供较大电流（2A），且效率较高4。这里采用方案二，因为LM2596具有较高的效率，可以提高整体开关电源并联供电系统的效率。2.4主控芯片的选择 方案一：使用STC系列单片机，驱动能力强，且相对稳定，性价比较高。 方案二：使用低功耗的MSP430系列的单片机，运算速度快，片资源丰富。由于对MSP430单片机不熟悉，没有采用这个理想的方案，且我认为STC单片机价格便宜且足以胜任本设计的需要，所以选择方案二。2.5过流保护方案的选择 方案一：设计一个过流保护电路，但电流超过4.5A时自动断开总电路。 方案二：采用软件保护，当检测电流超过电流值4.5A时，通过软件判断，断开总电路，并实时检测电流值，

18、当电流值下降到4.5A以下时，打开总电路。方案二可以在原有电路的基础上加上一个继电器即可，而方案一设计的电路要复杂的多，这里采用方案二。3系统硬件设计 整个系统采用模块化设计，每个模块都是一个独立的单元，方便调试3.1主控电路原理图单片机采用STC89C52，采用12MHz晶振，单片机用P0组口和P2.5、P2.6、P2.7口控制液晶显示屏显示，用P1.0、P1.1、P1.2控制DAC口输出，用P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7来采集ADC三路值，P2.0、P2.1口用于软触开关的输入，P2.2口用于控制继电器的开关5，原理图见图3.2。图3.2 主控电路电路图6-73.2DC-

19、DC主从模块原理图主模块相对比较独立，用于稳定输出8V电压，以TL494芯片为控制核心的单端PWM降压型开关稳压电路如图3.4所示，由TL494芯片、PNP型大功率开关管TIP127、二极管、和低通滤波器组成。图3-4中，连接在控制器TL494引脚端5和引脚端6的电容C和电阻R决定开关电源的开关频率。开关电源的开关频率与电容和电阻的关系式为f=1.1/R*C此电路中，R=47千欧，C=1nf，振荡频率为23.4kH为保证电流连续，低通滤波器的电感取值不能太小，但也不能太大。这里取值：L1mH。图3.4 DC-DC主模块电路图从模块和主模块有两个地方不同，一个是在从模块的输出导线上安装了电流传感

20、器，另一个不同是tl494的参考电压即2口接的不是14口的标准5V电压，而接的是由单片机直接控制的DA模块的输出口，主要目的是用于控制从模块的电流输出，原理图见图3.5。图3.5 DC-DC从模块电路3.3电流检测模块原理图 电流传感器HFB05PS5额定输入电流为5A，满足系统设计需要，零点输出电压为2.5V，电源电压为5V，使用比较简单，相关示意图见图3.6，使用时只需将导线穿过孔即可（从IN+穿入，IN穿出），数据输出端接ADC模块采样口。1 23 456引脚说明：1: OUT4: GND2: +5V 5: -IN3: GND6: +IN图3.6 HFB05PS5引脚说明3.4ADC和D

21、AC模块原理图电压采集采用高精度多路采集芯片TLC2543，TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省STC系列单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高，其中所需要的采样口分别为：两个电流检测模块，一个总输出电压口（8V左右），原理图见图3.7。 采用美国仪器公司生产的10位串行D/A转换器芯片TLC5615为核心，实现电路图如图3.8所示图3.7 ADC模块电路图 图3.8 DAC模块电路图3.5显示和输入模块原理图显示用的是液晶显示屏lcd1602,接口较多，和单片机接法见图3.9，输入模块使用的是廉价实用的轻触

22、开关，接法简单，见图3.10。图3.9 液晶显示屏电路图 图3.10 输入开关电路图3.6过流模块和5V电源原理图使用的是LM2596开关电源芯片，相关引脚说明：feedback 回馈，regulated output 稳压输出，unregulated DC input 非稳压直流输入，等等8，电路图见图3.11。用继电器控制电源的开关断以起到保护的作用9，硬件电路见图3.12，DC-DC模块和继电器接法如下：DC-DC模块的地线端和24V电源的地线端接好，然后将继电器1线接24V电源的另一端，2线接DC-DC模块的另一端。 图3.11 5V电源电路图 图3.12 过流保护模块原理图4 系统软

23、件设计4.1总体软件设计一、主程序首先初始化，包括LCD1602初始化，DAC初始化；二、然后检测总干路电流传感器的输出值即检测总干路的电流值，若电流大于4.5A则启动过流保护措施，当检测电流小于4.5A时才可正常工作；三、按分流比计算从模块应该输出的电流Itwo，同时不断检测从模块的电流输出I2，当I2Itwo时，降低DAC模块的输出电压，最终达到动态平衡状态（其中默认的分流比为1：1，可以通过轻触开关输入分流比）；四、将分流比、输出电压、总输出电流显示在LCD1602上。4.2子程序设计利用Keil4软件，用C语言来编写相关程序，C语言具有简练和精确的优势10，无须懂单片机的具体硬件，也能

24、编出符合硬件实际的专业水平的程序。4.2.1软件滤波用软件来识别有用信号和干扰信号，并滤除干扰信号的方法叫软件滤波，因为是开关电源，纹波比较大，可以用软件滤波降低检测误差，在本设计方案中，可以采用多次检测取平均值的方法来增加精度，可以大大提高系统的工作质量。4.2.2键盘输入 这里只是采用两个键盘来输入分流比，两个键盘一个为确定键，一个为设值键，默认状态下分流比为1：1，按下确定键后，液晶显示屏中分流比栏中的第一位会闪烁，表示这位值可以设定了，按下设值键，则第一位的值会上升（或下降），达到预设值后，按下确定键确定，第二位就会闪烁，同样方法设定第二位的值，按下确定键即可。4.2.3ADC和DAC

25、模块软件设计 TLC2543是串行的数模转换器，单片机只需一线和TLC2543相连即可任意读取12路采样口电压值，在读取采样值后跟据实际情况还要进行软件滤波以达到更高的精度。DAC模块直接和DC/DC从模板的参考电压口相连，用于控制从模板的输出电压，当和主模块并联时，可以想象，当从模板的输出电压较高时，从模块的输出电流也相应增大，通过电流传感器的检测反馈控制DAC模块的输出，来控制从模块输出电流的动态平衡。5 系统分析由于开关电源设计的复杂性，只完成部分硬件制作，这里只对实际制作效果进行分析5.1制作调试分析 首先遇到的是电感问题，由于高效率的开关电源的制作一直是个难点，对电感的要求较高，如果

26、想制作出高质量的开关电源，开关电源的电感必须自己设计并且自己制做，不合适的电感会导致输出电压纹波大、额定电流较小、电感有杂音等各种问题，在制作过程中，一直遇到电感不适的问题；其次是布线问题，由于开关电源有高频杂波，这对布线的要求较高，实际制作中，如果线过长的话会出现输出电压达不到标准（8V）的情况，所以导线应越短越好，且元器件尽量靠近芯片；最后是软件调试过程，本方案中，模块较多，特别是和单片机连接的模块众多，各模块要求能协调工作，井然有序，在系统出现故障时还能主动保护，所以代码较多，设计时难免会出错，所以在软件调试时经常会出现各种各样的问题，最重要的是不易找到问题所在，在实际调试中，总结的经验

27、为：软件设计过程中，尽量不要一次性把整个软件写好来调试，要尽量写一小段代码测试每个模块的工作，然后将这些可以工作的小段代码嵌入到整个软件中，这样就会大大缩短软件调试的时间。5.2调试结果与分析采用改变负载电阻，按照设定的电流比例，对电流进行控制。所用仪器：电源，万用表。稳压和效率测试结果：输入电压（V）输入电流(A)输出电压(V)输出电流(A)效率240.487.950.8860.7%240.547.93161.18%240.817.861.560.6%由表中数据可以看出，调整负载时，当输出电流变化时，输出电压基本稳定在8V左右，且模块总体效率达到了60%上，测试结果比较满意。电流分配测试结果

28、：I总电流预设比例I1I21.00A1:10.490.51A1.5A1:20.51A1.00A由表中数据可以看出，电流预设比例为1:1和1:2时，主模板和从模块输出的电流基本能按预设值分配（测算得电流精度达到2%），基本符合课题设计要求。6小结本次毕业设计是在本人在原有制作基础上的一次改进设计，通过本次课程设计，对大学期间学习的一部分知识进行了重新的学习和认识，特别是针对单片机、电路板设计与模拟电子和数字电子。在方案确定过程中，查阅了许多资料，为了确定电流传感器的工作情况，还专门在国外进行了相关的搜索，整个过程经历了二个月，尽管没有完成全部硬件的制作，仔细论证了这个方案的每个细节，从中学到了很

29、多。参考文献1同贺,军. 电能变换与应用丛书开关电源设计技术与应用实例J.人民邮电 2007.3.12 (美)Pressman,A.(著),王志强(译).开关电源设计（第二版.电子工业，2005 3 王兆安 ,进军. 电力电子技术M . 机械工业 . 2011.24 沙占友. 开关稳压器应用技巧J. 中国电力 2009.25 黄志伟. 全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作J. 航空航天大学 2011.16 志刚,吴海彬. Protel 99SE实用教程M. 清华大学. 2006.107 伟,王力. Protel 99SE基础教程M. 人民邮电 2011.18 白平,星,王守华. 电子信息类专

30、业英语M. 电子科技大学 2009.10 9冈本裕生.图解继电器与可编程控制器M.科学.200710谭浩强.C程序设计（第三版）M.清华大学.2005附录：部分软件程序#include#include#includeLCD_1602.h#define nop() _nop_()#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit K_up = P36;sbit K_down = P37;sbit CLOCK = P20; /*2543时钟*/sbit D_IN =P21; /*2543输入*/sbit D_OUT =P22; /*25

31、43输出*/sbit _CS =P23; /*2543片选*/sbit DA_CLK = P34;sbit DA_CS = P35;sbit DA_DIN = P33;unsigned int DA_OUT = 4590; /单位mvvoid Display_Delay()uint i,j;for(i=0;i100;i+)for(j=0;j1000;j+);void Key_Delay() /能够精确延时6.052msuchar i,j;for(i=0;i10;i+)for(j=0;j100;j+);/ADvoid Ad_Delay(uchar n)uchar i;for(i=0;in;i+)nop(); _nop_();uint read2543(uchar port)uint ad=0,i;CLOCK=0;_CS = 0;port=4;for(i=0;i12;i+) if(D_OUT) ad|=0 x01; D_IN=(bit)(port&0 x80); CLOCK=1; Ad_De