电子设计大赛A题开关电源模块并联供电系统设计报告

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1、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，

2、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

3、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IC

4、L8038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：系统原理框图按键PWM占空比调节 DC-DC模块MOS驱动电路C8051F340单片机系统显示反馈信号的采集 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-1 +5V电源：+12V电源图-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

5、）。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-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-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 D/A后正负直流电压信号：高频高精度PWM信号产生图-3 高频PWM生成电路本模块为我们这个设计的亮点部分，用

6、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-1 MOS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-1 BUCK降压斩波电路2.3.2：基于BUCK斩波的DC-DC模块图-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：电

7、感值的计算：其中，是占空比，开关频率=40 kHz,输出电压为36V，功率为16W,求得=10.7，取11。：电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由得d=0.892 mm,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=200 Hz，电容取470F，由 可得 ，代入得L=215.80 H，取220H。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

8、、规格数量备注1FLUKE 15B 万用表4美国福禄克公司2TDGC-2接触调压器（0.5KVA）1上海松特电器有限公司3KENWOOD CS-4125 示波器1带宽20MHz2.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242.017.83V3.9464%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/A7.991：10.490.508.001：20.541.030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/A0.60.721.21

9、0.80.861.081.21.040.881.41.140.82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

10、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#define VOLT376sbit buffer = P17;/蜂鸣器sbit k1 = P23;/按键sbit k2 = P22;sbit d1 = P27;/LEDsbit d2 = P26;sbit d3 = P25;sbit d4 = P24;/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long int value1 = 0,value2 = 0,va

11、lue3 = 0, dc1 = 4030,dc2 = 4030,adc1 = 0,adc2 = 0,adc3 = 0;unsigned char cs = 1,t1 = 0,t2 = 0,t3 = 0,s = 0;float k = 1.0;/电流分配比例bit I_flag = 0;void Port_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 = 0X

12、42;/端口使能，CEX0、CEX1连接到端口/显示部分void Led_Delay() /延时int i,j;for(i = 1;i 0;i-)for(j = 100;j 0;j-);void Led(unsigned int kk) /数码管显示电流分配比例unsigned char table4 = 0xef,0xf7;/选通对应数码管unsigned char dat4 = 0,0; /保存结果各位的数值unsigned char i;dat0 = kk % 10;dat1 = kk / 10;for(i = 0;i 2;i+)/循环显示 P4 = 0xff; P3 = tablei;

13、 P4 = dati; Led_Delay();/AD采集void Adc_Init()AMX0P = 0X11;/正输入P0.3AMX0N = 0X1F;/负输入地ADC0CF = 3 8;TL0 = (65536 - 500) & 0XFF;ET0 = 1;EA = 1;TR0 = 1;/两路十六位PWM输出void Pca_Init()PCA0MD = 0X08;PCA0CPM0 = 0XCB;PCA0CPM1 = 0XCB;PCA0CPL0 = (65536 - (int)(dc1/10000.0)*65536) & 0XFF;PCA0CPH0 = (65536 - (int)(dc1

14、/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void Key_Delay()unsigned int i,j;for(i = 250;i 0;i-)for(j = 50;j 0;j-);bit Key1()bit i = 0;if(k1 = 0)Key_Delay();if(k1 = 0)i = 1;d3 = d3;while(!k1);

15、d3 = d3;return i;bit Key2()bit i = 0;if(k2 = 0)Key_Delay();if(k2 = 0)i = 1;d4 = d4;while(!k2);d4 = d4;return i;void K_test()if(Key1()if(k 0.5)k -= 0.1;if(k = 0.5)d1 = 1;d2 = 0;void V_test()if(s = 1) s = 0;if(value1 (VOLT+5)dc1 -= (int)(value1 - VOLT)/2.0);dc2 -= (int)(value1 - VOLT)/2.0);else if(val

16、ue1 (k*value3 + 2) dc1 -= 1;dc2 += 1; else if(value2) 0;i-)for(j = 600;j 0;j-);void Protect()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void main()unsigned char i = 1;Port_Init();

17、Pca_Init();Adc_Init();Timer0_Init();while(1)V_test();K_test();Protect();Led(k*10);void ISR_T0() interrupt 1TH0 = (65536 - 500) 8;TL0 = (65536 - 500) & 0XFF;void ISR_ADC() interrupt 10/转换结束中断AD0INT = 0;/清中断标志switch(cs)case 1: adc1 += (ADC0H = 100)value1 = adc1/100;adc1 = 0;t1 = 0;s = 1;break;case 2:

18、adc2 += (ADC0H = 100)value2 = adc2/100;adc2 = 0;t2 = 0;break;case 3: adc3 += (ADC0H = 100)value3 = adc3/100;adc3 = 0;t3 = 0;Ad1();I_flag = 1;break;void ISR_PCA() interrupt 11if(CCF0 = 1)CCF0 = 0;PCA0CPL0 = (65536 - (int)(dc1/10000.0)*65536) & 0XFF;PCA0CPH0 = (65536 - (int)(dc1/10000.0)*65536) 8;if(C

19、CF1 = 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

20、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（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Conve

21、rter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。 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（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/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-

22、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-Bridge Converter）。 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

23、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（H

24、ard Switching） 开关电源和软开关（Soft Switching）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（Switching loss）。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，ZV

25、S），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-CurrentSwitching，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）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansisto

26、r，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。