全国大赛A题开关电源模块并联供电系统2Word下载.docx
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均流源MSP430LM2576自动均流
Abstract:
ADCcurrentsourcewasintroducedinthispaper.InthisarticleweintroduceatheoryofaDCcurrentsourceandhowtodesign.ThesystemismadeupofMSP430whichplayaroleofmicrocontroller,andLM2576asPowerchip.thesystemisperfectinlargeoutputvoltagerange,highprecision,highstabilityandincurrent-limintingandauto-resume.
Keywords:
currentsourceMSP430LM2576AutomaticCurrent
一,题目要求
1.基本要求
(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=8.0±
0.4V。
(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=8.0±
0.4V,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)调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0±
0.4V,使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,每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。
2.发挥部分
(1)调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0±
0.4V,使负载电流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,每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。
(2)调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0±
0.4V,使两个模块输出电流之和IO=4.0A且按I1:
1模式自动分配电流,每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于2%。
(3)额定输出功率工作状态下,进一步提高供电系统效率。
(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)。
(5)其他。
二,方案论证与比较
(一)总体方案论证
根据题目要求,要设计两路直流稳压电源,并联输出,并能够自动实现电路均衡。
常见的均流方法有:
1.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流电源模块,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。
2.平均电流自动均流法
这种方法不用外加均流控制器,在个电源模块单元间接一条公共均流母线CSB,均流母线的电压Ub为N个电源模块代表各自输出电流的电压信号Ui的平均值(即代表电源系统的平均电流)。
Ub与每个电源模块的取样电压比较后,通过调整放大器输出一个误差电压,从而调节模块单元的输出电流,达到均流的目的。
平均电流法可以精确的实现均流,但当公共母线CSB发生短路或接在母线的任一电源模块单元不工作时,使CSB电压下降,结果促使个电源模块输出电压下调,可能达到下限值,引起电源系统故障。
3.热应力自动均流法
利用监测电源系统中每个电源模块单元的温度来实现均流,使其温度高的模块单元输出电流小,温度低的电源模块输出电流大。
4.最大电流均流法
这种方法采用一套最大值比较器,每一时刻输出电流最大模块作为主模块
其输出电流转化成的电压信号Ui送至均流母线CSB,即CSB上的电压Ub反映的
是个电源模块单元中Ui的最大值。
各从模块的Ui与Ub比较从而自动调节输出
电流大到均流。
经过比较,总体上我们最终选择第四种方法
(二)模块的选择
1.单片机模块
方案一:
采用比较通用的51系列单片机。
次单片机的运算能力强,软件编
外围电路的程灵活,自由度大。
虽然该系统采用单片机为核心,能够实现对智能
控制,单核心控制部件使用89C51时,未达到合计精度的要求,外围电路必须加
上10位的高速A/D和D/A,这就是的为整个系统硬件电路比较复杂,而且10位
的A/D和D/A器件价格较高,使得系统的性价比降低。
方案二:
采用MSP430系列单片机此单片机功能较强,兼容性好,性价比高;
具有体积小,集成度高,易扩展,可靠性高功耗小以及具有较高跌数据处理和运算能力,系统最高时钟频率8MHz,且一个时钟周期为一机器周期,运行速度快;
MSP430F149单片机内部集成了12位A/D,D/A器件。
通过采样,结合内部高测量精度,同时也能利用软件对测量误差进行补偿,这给调试,维护和功能的扩展,性能的提高,带来了极大的便利。
经过以上考虑,我们选择方案二。
2,开关电源模块
电源芯片采用美国半导体的LM2576-ADJ
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。
内部框图如图
可调电压输出的电路原理图
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。
开关稳压芯片TPS5430
TPS5430具有良好的特性,大电流输出:
3A;
宽电压输入:
5.5V----36V;
搞的转换速率:
最佳状况可达95%;
宽电压输出范围:
最低可调整到1.22V;
具有过流保护及热关断功能;
有使能端;
内部有软启动:
其典型应用电路图如图
此题我们选择方案一
三,系统设计
(一)总体设计思路
经过方案的论证与比较,我们画出了最终的系统框图。
如下:
本系统控制器采用超低功耗单片机MSP430F149,采用独立键盘控制电流输出,开关电源采用LM2576,电源芯片采用AS1117和TPS60401,均流通过ADS1232采样,送入单片机通过DAC7811反馈回路,实现电压电流控制,达到题目要求。
(二)主要电路原理分析与设计
1.DC/DC模块
为了减小纹波和电容等效感抗,我们采用电容C1贴近13管脚,稳压管贴近管脚2的连接方法.
2.电流检测模快
本模块用电压输出,高测电流检测监控器INA270,其具有-16V至+80V的宽泛共模输入电压。
解决了高共模电压下小分路压降的测量难题。
注意:
管脚1和管脚8两端的输入电压范围值为50mv到100mv
3.AD模块
通过ADS1232模块实现数据的采集
4.DA模块
DAC7811是一个12位串行输入乘法数模转换器.此装置工作电压在2.7V到5.5V。
此模块主要为开关电源提供反馈电压。
其电路如图:
5.过流保护
用单片机控制开关电源LM2576的ON/OFF端从而实现过流保护。
四,系统软件设计
(一)软件功能
本软件部分主要功能为:
控制DA输出电流源的控制电压,对实际电流取样。
DA输出电压的控制:
我们采用预设和步进两种方法来改变电流源的控制电压。
并且步进值可任意设置。
(二)系统总体框图
两路DA采样控制电流的输出,起到过流保护的作用。
流程图如下:
五,系统测试方法与测试数据
1.单个DC/DC模块测试数据
负载
输入
输出
效率
功率
空载
电压
电流
η
Po
Pe
10Ω
23.7V
0.32A
8.2V
0.82A
87%
6.7W
7.85W
5Ω
0.63A
8.03V
1.6A
88%
14.93W
13.15W
3Ω
0.96A
7.99V
2.4A
85%
19.34W
22.75W
2.测试结果分析
测试结果表明:
输出电压8.2V,输出电流,效率均达到题目要求
六,总结
经过四天三夜的艰苦,我们基本达到了题目的要求,但其间我们遇到了各种各样的难题,比如:
实现1:
2均流时不好调节,电流测试结果显示有出入等等。
在这几天里,我们全体组员不断探讨解决方案,调试程序,测试硬件,最终难点一个个被攻破。
本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力,虽然我们遇到了很多困难和障碍,但其间的过程对我们以后的发展很有帮助,我们将继续努力争取更大进步。
参考文献
(1)康华光主编.《电子技术基础模拟部分》(第五版)
高等教育出版社
(2)高吉祥主编康华光主编《电子技术基础模拟部分》(第五版)
高等教育出版社
(3)高吉祥主编《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路计》电子工业出版社
(4)谢子美主编《电子线路设计-实验-测试》(第二版)
华中科技大学出版社
(5)沈建华,杨艳琴MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用
清华大学出版社
(6)李广弟《单片机基础》华中科技大学出版社
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