2023年全国大学生电子设计竞赛获奖论文初稿-并联直流供电电源

PAGEPAGE13摘要本系统设计了低功耗高效率的开关电源并联供电系统，以集成降压电压转换芯片TPS5450为DC/DC控制模块核心，以超低导通电压的新型二极管LTC4352作为保护二极管，以超低功耗的高速单片机MSP430F2816为控制系统核心。采用数字和模拟两种反响调节的方法，实现了两路电流在0.5A--1A的范围内以任意比例分配，两路输出的相对误差绝对值小于1%，并且通过负反响调节使输出电压稳定在8V0.1V，整体系统以低功耗高效率为设计标准，供电系统的效率在80%以上。关键词开关电源并联供电电流均流低功耗DC/DC模块反响调节目录绪论1TOC\o"2-2"\h\z\t"标题1,1"第1章方案论证与设计11.1DC/DC控制模块11.2电压电流控制及均流1第2章电路设计与参数计算42.1系统主控电路42.2DC/DC控制模块电路52.3电压电流控制及均流电路7第3章系统功能与软件设计73.1系统功能设计73.2主控软件结构93.8调试14第4章系统测试与分析144.1系统参数测试144.2系统功能测试164.3测试结果分析17第5章技术总结与展望17参考资料18附录19附录一测试仪器清单19附录二元器件清单19附录三原理电路图19附录五源程序19绪论问题的提出随着功率电子技术的开展，开关电源在各个领域得到了广泛的应用。开关电源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控制和场效应管构成。在大功率DC／DC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，经常采用多个单元并联的方法。多个单元并联具有高可靠性，并能实现电路模块标准化。然而在并联中遇到的主要问题就是电流不均，特别在加重负载时，会引起较为严重的后果，因此采用均流就显得十分重要，它能把电流按一定的比例适当非配到各个单元，既能增加供电的平安性，又能提高供电的效率。保证系统在不断电的情况下更换系统的失效模块，提高了系统的可维护性。分布式的电源系统具有很好的灵活性，可以将模块的开关频率进一步提高，从而提高模块的功率密度，使电源的体积，重量下降。系统的单个模块的电流应力减小，提高了系统的可靠性。另外，开关电源的效率高，功耗低，这为开关电源提供了广阔的开展空间。设计开关电源模块并联供电系统涉及到DC/DC稳压变换模块、电流电压检测和均流等内容，下面简单介绍其根本原理。DC/DC稳压变换模块是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM〔占空比〕来控制输出的有效电压的大小。电流电压检测和均流在大功率DC／DC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，经常采用多个单元并联的方法。然而在并联中遇到的主要问题就是电流不均，特别在加重负载时，会引起较为严重的后果，因此采用均流就显得十分重要，它能把电流按一定的比例适当非配到各个单元，既能增加供电的平安性，又能提高供电的效率。在本系统中我们采用两个开关电源单元并联的方案。方案论证与原理设计1.1开关电源模块并联供电系统结构框图要求设计制作一个有两路额定功率均为16W的8V的DC/DC模块构成的并联供电系统，在本系统中我们采用两个开关电源单元并联的方案。保证输出电压为8V,并且能按预置的比例在适当的范围内自动分配电流，到达均流的目的。图1-1两个DC/DC模块并联供电系统结构示意图1.2DC/DC控制模块方案方案一：降压开关型集成稳压芯片LM2596LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有很好的线性和负载调节特性。输出电压可调范围是1.2V--37V，误差范围为4%，能够输出最大3A的驱动电流。功耗低，关断电流仅为80uA，具备过压保护和过热保护功能。方案二：降压转换器TPS5450由集成电压转换器芯片TPS5450作为电压转换芯片，TPS5450是一款低功耗的降压型集成稳压芯片，输出电压范围是5.5V—36V，误差范围是百分比是1.5%。最大输出电流为5A。关断电流仅为18uA，具备过压保护和过热保护功能。工作温度范围是-40—125。+24V电源经过降压稳压后输出要求的电压8V。基于低功耗和简化设计的考虑，题目要求发挥的输出电流范围为1.5V—3.5V，输出电压范围要求为8.0V+0.4V，误差范围为5%，而TPS5450最大输出电流为5A，误差范围仅为1.5%，而且关断电流18uA远远小于LM2596的80uA的关断电流，所以我们选择以集成电压转换器芯片TPS5450为核心的DC/DC控制模块方案。1.3电流反向保护模块方案因为存在两路供电，有可能出现一路电流过大而另外一路电流很小的情况，这时会造成电流反向流入另外一路损坏器件，因此需要加电流反向保护模块，防止电流反向。在本系统中我们选择真二极管LTC4352，LTC4352是一款低压差的二极管，输入电压范围是2.9-18V,的管压降只有25mV，远远小于普通二极管0.7V的压降，因此用它来作为单向导通的保护二极管不会对整体的电压输出造成较大的影响。1.4电压电流检测单元方案为了到达题目要求的输出稳定的+8V电压和按比例分配的电流，需要通过反响调节电压和电流，因此我们对输出的电流进行取样，以电压的形式输出。为了不影响后级负载同时又要保证精度，我们选择用康铜丝制做精密小电阻，大小仅为几十毫欧，通过约1A左右的电流后产生几十毫伏的电压，通过差分放大器后得到取样电压，然后把得到的电压送入控制单元进行反响控制。图1-2电压电流检测示意图1.5电流均匀分配方案方案一：模拟方法控制题目要求使负载电流在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，利用模拟电路进行控制简单可行，只需要和采样的精密电阻并连上几个大电阻，因为精密采样电阻只有几十毫欧的大小，并连上一个几十千欧大小的电阻对采样电阻的采样电压几乎没有影响。通过改变并联电阻大小就能改变电流的分配比例，采用模拟控制时只需要对一路进行采样，通过精密电阻对电压进行取样，分别经过查分运放后再和参考电压一起经过减法器送入集成电压转换器芯片TPS5450的反响端对输出电压和电流经行控制。图1-3模拟器件控制示意图方案二：数字方法控制直接采样数字控制，对采样的电流和电压经行转换后送入单片机经过设计的算法经行运算后输出反响电压再送入集成电压转换器芯片TPS5450反响端对输出电压和电流经行控制，直接用数字器件控制在硬件电路上实现起来简单，电路简单，不需要额外增加运放。只需要设计适宜的算法就能输出适宜的反响电压，而且通过算法设计用程序控制比例系数可以设置任意的比例，控制非常方便，而且可以实时修正各个反响参数，及时调整反响电压，可以提高输出电压的精确度，而且设计高效的算法可以减少电源电流的波动，使输出快速到达稳定。图1-4数字器件控制示意图方案三：模拟和数字结合控制模拟电路进行控制简单可行，数字电路控制方便高效，可以吧两者有效的结合起来使用，利用电位器来完成电流比例的分配，通过调节电位器改变送入差分放大的采样电压，以此来反响调节电流分配比例。用数字器件来实现任意比例的分配。这样在一般情况下只需要拨动选择开关就能改变几种常用的比例分配，在实现其它比例分配的时候，就可以通过数字器件来控制，通过与单片机相连的控制键盘就能方便的改变比例分配系数。通过一个开关就能选择是利用模拟器件控制或者数字器件控制。示意图如图1-5。图1-5模拟和数字器件结合控制在本系统中要求每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%，精度要求较高，因此肯定会用到数字器件控制，但模拟器件控制可以脱离控制系统独立工作，工作的可靠性可以得到保障，在控制系统出现异常的情况下照样能够正常工作。因此最终选择方案三。1.6系统供电方案为了降低系统的功耗，提高系统的效率，本系统选用用降压型开关稳压电源控制器LM2576转换高电平24V输入，AS1117-3.3与AS1117-5低压线性稳压电源芯片输出供电给运放模块和单片机控制模块，且AS1117的特性适合开关电源的后级稳压。图1-6稳压电路示意图AS1117-3.3输出3.3V电源为单片机供电，AS1117-5输出+5V电源为系统的其它芯片供电。AS1117是一款低压差的线性稳压器，当输出1A最大电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V,而且多用于开关电源的后级稳压。输出电压电压线性度为0.2％，精度高达±1％，稳定度好，因此对本系统非常适用。1.7整机设计方案框图通过上述方案论证，我们选择集成降压稳压芯片TPS5450作为DC/DC控制模块方案，选择真二极管LTC4352作为反向保护，采取模拟和数字相结合的控制方法。开关电源模块并联供电系统整体结构框图如图1-6所示。图1—7整机设计方案框图整体系统的反响控制示意图如图1-7图1-8反响控制示意图设置四个变量分别为：由反响电路控制关系得到：〔1-1〕预设两路电流分配关系为，那么得到：，得到，同理可求出，所以只要对反响系数加以控制，就能使输出到达稳定。而这些反响系数既可以通过模拟的方法来实现，也可以通过数字的方法来实现，模拟方法就是通过控制取样比例系数和放大倍数来控制，数字局部直接利用单片机控制A/D、D/A利用算法来实现。用模拟控制方法时，因为本系统是单电源供电，因此在系统设计中，只要满足两路反响，就能完成减法运算。而节省了必须用双电源供电带来的额外功耗和电路复杂度。功能电路设计与参数计算该程控滤波器电路由DC/DC降压稳压模块、电流电压检测及均流电路模块、系统控制电路以及系统供电电路等局部组成。2.1DC/DC降压稳压模块本模块以集成电压转换器芯片TPS5450为核心，+24V电源由POWER端输入，输出电压通过内部反响调节稳定在+8V。输入电压+24V经vin端输入，TPS5450内部参考电压为1.221V，误差为1.5%,反响端由vsense端输入，经过比较器和内部的产生的锯齿波比较，当时，产生高电平，当时，产生低电平，从而产生PWM信号，当反响电压值不同时通过比较器产生的PWM信号的占空比不同，信号有效值就不一样，经后续变换后产生的电压有效值就不一样，如此反复调节直到反响电压稳定在1.221V，此时输出电压就能稳定在8V。该局部电路图如图2-1所示。图2—1DC/DC降压稳压模块+24V电压经TPS5450反响调节后输出稳定的+8V，真二极管LTC4352作为保护二极管，防止电流分配失调时倒灌损坏器件。图中电感L2、L3作为滤波电感，电容C10、C11、C17、C18作为滤波退偶电容，去除输出电源的干扰。2.2电流电压检测及均流电路设计通过精密小电阻进行取样，该取样电阻大约为50毫欧左右，取样电压经过差分放大器INA210进行放大后得到，同时通过电阻和〔另外一路是和〕分压后得到参考电压和，经集成运放后输出和反响到TPS5450的VSENSE端调节输出电压稳定到8V,输出电流稳定在设定的比例。图2-2电流电压检测及均流电路反响电压由VSENSE端引入，反响电压取自两局部，一局部是电流取样后的，另外一局部是引入的反响。两路反响共同调节使输出稳定。参数计算：TPS5450内部参考电压为1.221V,当系统稳定时应有=1.221V=8V,==10K：通过计算，要取1.8k，要取1.8k。2.3控制电路设计MCU选型本系统的控制器我们选用TI公司的MSP430F2816单片机。MSP430是一种低功耗、高性能的16位单片机。它采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式，还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。除此之外MSP430单片机还具有超低的功耗，其电源电压仅为3.3V。而且MSP430F2816单片机内部集成有A/D,因此减少了外围器件，精简了电路，提高了效率。键盘与显示因为题目要求的参数设置，我们可以通过五个自制的键来完成，分别控制电流比例系数的增减和步进的大小。2.4系统供电电路设计对于高精度的系统设计，要求电源的稳定性精密度好。为了给整机提供稳定的工作电压，我们采用二次稳压、多级退耦的措施自行设计了一个精密的供电电路。对于供电要求高的模拟电路我们采取稳压基准二次稳压的方法。模拟系统取外部输入电压为+24V，第一级稳压LM2576输出为+6.5V，一路引入到单片机系统板上经REG1117-3.3二级稳压后输出+3.3V为单片机供电，另外一路由REG1117-5.0二级稳压后输出+5V，为系统的其它芯片供电。整机系统主要供电电路如图7所示。图2—3系统供电电路图参数计算：LM2357是通过反响调节使输出稳定在6.5V，LM2357的内部参考电压是1.23V。LM324构成跟随器，其稳定输出电压为1.221V，其前级输入为REG1117的输出5V通过计算，要取8.6k，要取3.23k。2.5过流保护方案题目要求具有负载短路及自动恢复功能，阈值电流为4.5A，因此我们为本系统设计了过流保护，通过电流取样当大于阈值4.5A时，通过单片机输出一个高电平对模块进行关断，从而起到负载保护及自动恢复功能。系统功能与软件设计程序设计思想程序由主程序、定时器中断程序、A/D中断程序、键盘中断程序四局部组成。各局部功能及流程图如下。主程序主程序的主要工作是进行初始化，扫描键盘，并响应键盘，设定反响系数初始值。图3-1主程序流程图性能测试与分析4.1测试条件测试环境竞赛实验室，常温，常湿，常压。测试仪器表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11主要测试仪器清单序号名称型号、规格生产厂家数字示波器TDS1012TEK模拟示波器SS-5702A内蒙电子数字万用表HP34401(2个)Agilent直流稳压电源DF17432L中策电子自耦变压器0～250V东风电器4.2系统调试在电路板装配好后，进行整机调试。测试供电电源：＝5.000V,=3.300V系统供电正常。供电电源正常工作后，改变负载，进行了过流，过压试验均能正常工作。把电路各局部连为一体。对控制局部进行检测，观察显示局部能正常工作和键盘按键功能能实现，且显示与测量值根本一致,所以电路能正常工作。4.3电路静态工作点测试4.4系统功能测试显示局部功能测试用键盘随意编辑一个设定值，观察能否交替显示设置值和测量值，同时用电流表测量负载电流值，比较这3个值大小，相