我们的开关电源模块并联供电系统A题.docx

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我们的开关电源模块并联供电系统A题

摘要

本开关电源模块并联供电系统采用STC12C5A60S2单片机产生10KHZ的PWM脉冲信号，作为串联型开关电源的开关管控制信号。

采用康铜丝和运放电路构成高端电流检测电路，采用电阻分压构成电压检测电路，采用单片机自带的10位ADC实时检测每个开关电源的电流和电压值，构成电流和电压双闭环控制系统，从而实现自动稳压均流的目的。

在额定功率16W的情况下，输出电压稳定在8V

0.1V以内，供电效率为68%。

在保持输出电压为8V

0.1V时，控制输出总电流在1.5~3.5A内变化，且两个开关电源模块可在0.5~2A内按指定比例自动分配，相对误差绝对值小于1.8%。

具有过流保护和自动恢复功能。

目录

1系统方案1

1.1开关电源模块类型的论证与选择1

1.2开关管控制方式的论证与选择2

1.3电流检测电路的论证与选择2

1.4控制系统的论证与选择2

2系统理论分析与计算3

2.1串联型开关电源稳压原理与参数计算3

2.1.1稳压原理3

2.1.2LC滤波电路参数计算3

2.1.3散热片面积的计算4

2.2电流电压检测电路4

2.3均流方法5

2.4过流保护5

3电路与程序设计5

3.1电路的设计5

3.1.1开关电源模块主电路设计5

3.1.2电流电压检测电路设计5

3.1.3单片机电源电路设计6

3.2程序的设计6

3.2.1程序设计思路6

3.2.2程序功能描述与流程图7

4测试方案与测试结果8

4.1测试仪器与测试框图8

4.2测试结果及分析8

5结论11

附录1：

电路原理图12

开关电源模块并联供电系统（A题）

【本科组】

1系统方案

本系统主要由两个开关电源模块、电流电压检测电路、控制系统组成，系统总体方框图如图1.1所示。

下面分别论证这三个模块的详细方案选择。

图1.1系统总体方框图

1.1开关电源模块类型的论证与选择

方案一：

并联型开关电源。

如图1-2所示将开关K与负载并联，当开关通断时电感起储能作用，将感生电动势与输入电压相叠加后作用于负载，输出电压高于输入电压。

图1-2并联型开关电源

方案二：

串联型开关电源。

如图1-3所示，将开关K与负载串联，当开关通断时输入的直流电压转换成脉冲电压，经LC滤波转换成直流电压，输出电压低于输入电压。

图1-3串联型开关电源

由于题目要求输入24V，输出稳定8V，故选择方案二作为DC/DC模块主电路。

1.2开关管控制方式的论证与选择

方案一：

自激式控制方式。

利用本身的开关管、脉冲变压器及相关的阻容元件构成的振荡电路产生开关管的导通电压，外部无法对其进行干预。

方案二：

他激式控制方式。

由外部控制系统产生可调制占空比的脉冲波控制开关管的通断，通过检测输出的电压与电流并反馈给控制系统，反复进行调整稳定输出量。

综合比较以上两种方案，方案二可由外部控制系统控制输出量，便于性能的扩展和优化，故选择方案二。

1.3电流检测电路的论证与选择

方案一：

霍尔电流传感器。

电流流过霍尔传感器的线圈产生磁场，磁场随电流的大小变化而变化，磁场聚集在磁环内，霍尔元件输出随磁场变化的电压信号。

通过检测电压值得到电流的大小。

方案二：

高端电流检测电路。

通过采样电阻，将通过电阻的电流转换成两端的电压，通过检测电压值从而获得电流值。

该检测方法电路和程序控制都比较简单。

1.4控制系统的论证与选择

方案一：

双机控制系统。

如图1.2所示，由两个控制系统分别对两个DC/DC模块进行控制，通过双机通讯实现信息的传递，减小软件的控制难度但增加硬件、功耗和成本。

图1.2双机控制系统

方案二：

单机控制系统。

采用具有两路PWM输出、8路10位ADC模数转换、低功耗成本的STC12C5A60S2单片机，同时控制两个DC/DC模块，并可实时采集输出量。

减少硬件、功耗和成本，但软件的控制难度较大。

图1.3单机控制系统

考虑降低功耗与成本，故选择方案二。

综合以上的分析论证，本设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制系统，采用串联型开关电源，单片机输出两路可调制脉宽的PWM信号控制开关电源模块的输出量，通过电流和电压检测电路，将输出量反馈给单片机，再由单片机对数据进行分析处理调整PWM信号，从而达到稳定输出电压和电流的目的，最终供给负载。

将测得的电压和电流参数在1602液晶显示屏上显示，通过按键可对系统的控制参数进行操作。

24V直流电源直接给开关电源模块供电，同时降压给单片机提供稳定5V电源。

2系统理论分析与计算

2.1串联型开关电源稳压原理与参数计算

2.1.1稳压原理

本设计采用串联型开关电源，其稳压原理框图如图2.1所示。

在开关K导通期间，电感L将流过的电流转换成磁能进行能量储存，电容C将流过电感L的部分电流转换成电荷储存。

在开关K关断期间，电感L产生反向电动势，输送给负载R并与续流二极管D构成回路，同时电容C将电荷转换成电流向负载供电。

通过不断导通与关断开关K，使uo产生脉动电压，经过LC滤波电路使脉动电压转变成较稳定的直流电压Uo输送给负载，输出电压Uo的电压值与开关K在一个周期内导通的时间成正比。

当外部因素使输出电压或电流产生变化时，通过单片机自带的10位ADC实时采集输出的电压和电流，实时调整开关K导通的占空比，从而构成闭环控制电路，使输出电压和电流达到稳定。

图2.1开关电源模块稳压原理

2.1.2LC滤波电路参数计算

题目要求输入电压24V，输出电压为8V，即根据串联型开关电源在输出电压小于输入电压的二分之一时的电感计算公式如式（2-1）所示：

其中L为电感量、Ui为输入电压、Uo为一个DC/DC模块的输出电压、Ton为PWM一个周期内导通时间，Io为一个DC/DC模块的输出电流。

（2-1）

根据实验测试得知，当开关频率在10KHZ时的供电效率比较高，导通时间Ton约为30%，因此将各参数代入式（2-1）得式（2-2）：

（2-2）

本设计采用铜线和磁芯做成的电感以增大电感的储能能力提高供电的效率。

根据串联型开关电源的电容计算公式如式（2-3）所示，其中C为电容容量、Io为一个模块个输出电压、△Up-p为输出纹波电压，T为PWM一个周期的时间。

（2-3）

题目要求输出电压在8±0.4V，我们设定纹波电压为0.1V,将各参数代入式（2-3）得式（2-4）结果：

（2-4）

为了使电容工作时有余量，本设计采用4700

电容达到降低纹波电压的目的。

2.1.3散热片面积的计算

由于开关电源的主要损耗是在开关管上，因此合理选择散热片的材料面积是保持电路正常工作的一个重点。

本设计使用铝散热片，根据所选择场效应管IRF9540N的参数，最大工作温度TJM为175oC、最大环境温度TAM为40oC、平均耗散功率为4.8W、芯片内部至外壳的热阻R为1.1oC/W、外壳至散热片的热阻RθJC为0.5oC/W，代入散热片的热阻Rθcs的计算公式（2-5）：

（2-5）

根据铝散热片的热阻和面积的关系可得知，散热片的面积至少为20cm2。

本设计采用40cm2的铝散热片，增加1倍的余量明显提高散热效果。

2.2电流电压检测电路

要实现对输出电压和电流的闭环控制，必须对输出电流和电压进行采样反馈。

本设计采用如图2-2所示的电流电压检测电路。

图2-2电流电压检测电路

题目要求过流保护的阀值电流为4.5A，每个开关电源模块的可调电流范围为0.5-2A，且当总电流输出为4A时，各个模块的电流输出误差小于2%。

可得知，电流检测模块需要检测的最大电流为2.5A；检测的精度Imin如公式（2-5）所示。

（2-5）

本设计采用电阻分压的方式对各个开关电源模块的输出电压进行检测，由于采样电压直接输送给单片机10位ADC进行检测，单片机所能检测的最高电压为5V，测量精度Vmin如公式（2-6）所示。

（2-6）

输出的电压稳定在8V，电压摆动为

V，假设电压分压系数为1：

1，则输出电压摆动10mV时单片机即可以检测出来，满足题目要求。

2.3均流方法

由于要求在额定功率的情况下，使两个开关电源模块输出的电流按设定的比例分配电流，因此本设计采用单片机实时检测两个开关电源的输出电压和电流，动态调节实现稳压均流的方法。

采用固定其中一模块电流输出，其另一模块进行稳压的方法：

在输出电压为8V，总电流大于500mA、小于2.7A的情况下，模块一动态的稳定输出500mA的电流，模块二进行稳定输出电压。

当模块二电流大于2.2A时，模块2转为2A电流的稳定输出，模块一进行稳定输出电压，但当模块一的电流小于300mA时，模块一又转为恒流转出，模块二转为恒压输出。

其中恒流恒压交替控制。

2.4过流保护

为了减少额外的功率损耗，本设计采用软件方式实现过流保护功能，单片机实时检测输出的电流大小，当电流值超过预置的阀值4.5A时，单片机控制PWM信号完全截至开关管使输出断开，当故障消除后，单片机再次控制PWM信号使输出电压恢复正常，从而实现快速负载过流保护和自恢复功能。

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1开关电源模块主电路设计

开关电源主电路图如图3.1所示，由于所选择的开关管IRF9540N在该电路中的控制电压10-24V，单片机IO口最高只能提供5V的电压，因此本设计采用三极管的推挽驱动电路使控制电压达到开关管的工作电压。

单片机输出PWM脉冲信号，通过Q1、Q2、Q3三极管构成的推挽驱动电路控制开关管IRF9540N的通断。

图3.1DC/DC开关电源模块主电路图

3.1.2电流电压检测电路设计

电流电压检测电路图如图3.2所示，电流检测使用0.09

的采样电阻，对输出电流进行采样，将采样电压通过LM358运放放大如公式（2-6）所示倍数AU，输送给单片机检测。

电压检测使用1：

1的电压分配比，在输出端将输出电压缩小2倍输送给单片机检测。

（2-6）

图3.2电流电压检测电路图

3.1.3单片机电源电路设计

为了尽量减小系统的功耗，本设计采用开关电压调节器LM2596构成稳定的5V输出给单片机供电，其供电效率达到80%。

综上所述，本设计的主电路即串联开关电源与测控电路即电流电压检测电路的总体电路图如图3.3所示。

图3.3总体电路图

3.2程序的设计

3.2.1程序设计思路

1）稳压控制模块：

在测试的过程中，发现串联在电路中的电流表由于具有内阻，使电流表产生压降，导致供电效率降低，输出到负载的电压值降低。

本设计通过程序设计，检测出电流表的电压损耗，使输出电压仍然保持稳定的8V。

2）均流控制模块：

通过高端电流检测电路，将电流的变化转变成电压的变化，单片机检测电压值的变化从而确定输出的电流值。

因此需要确定转换的电压值与电流的关系，表1为电流值测量的标定实验数据。

表1电流测量标定

电压/V

电流/A

0.694

0.364

1.562

0.801

2.339

1.192

2.746

1.398

3.632

1.845

4.075

2.076

4.764

2.431

4.972

2.542

数据分析结论：

由以上数据分析得知，电流与电压检测值之间的关系式如公式（2-7）所示，Io为输出电流，V为检测的电压。

Io=0.5088V+0.005（2-7）

3.2.2程序功能描述与流程图

根据题目要求软件部分主要有以下三个部分，分别为稳压均流控制模块、键盘模块和液晶显示模块。

1）稳压均流控制模块：

实现稳定输出电压和稳定两个DC/DC模块输出电流功能。

2）键盘：

设置两个DC/DC模块的输出电流比例。

3）显示部分：

显示供电电压值、供电电流值、两个DC/DC模块的输出电流值和比例系数、总输出电压值和电流值。

稳压均流控制模块的程序流程图如图3.4所示，

图3.4稳压均流控制模块

4测试方案与测试结果

4.1测试仪器与测试框图

测试仪器：

VC980+数字万用表，数量为三个。

在20V直流电压档的准确度为

（0.05%+5），分辨力为0.001V；在200V直流电压档的准确度为

（0.05%+5），分辨力为0.01V。

在200mA直流电流档的准确度为

（0.8%+6），分辨力为0.01mA；在20A直流电流档的准确度为（2.0%+15），分辨力为0.001A。

测试示意图：

图3.5测试示意图

测试步骤一：

输出电压值检测。

调节负载电阻使测试点3和4的电流值均为2A，保持负载电阻不变，观察电压表的示数并记录数据。

测试步骤二：

额定功率的供电效率。

调节负载电阻使测试点3和4的电流值均为2A，记录测试点1和6的电流表示数。

保持负载电阻不变，记录两个电压表的示数。

测试步骤三：

均流效果。

使总电流分别为1A、1.5A和4A，观察测试点3和4的电流表示数并记录数据。

测试步骤四：

任意比例均流效果。

首先手动设定两个开关电源模块的输出电流比例，调节负载电阻使测试点6的电流在1.5-3.5A之间变化，确定负载电阻后观察测试点3和4的电流表示数并记录数据。

测试步骤五：

过流保护和自动恢复功能测试。

调节负载电阻使测试点6的电流值超过为4.5A，观察测试点3和4的电流表示数并记录数据，当两个电流表的示数为零时，重新调整负载电阻使输出电流小于4.5A,观察两个电流表并记录数据。

4.2测试结果及分析

按测试步骤一，测试额定功率下，总输出电压值。

测试结果如表2所示。

表2额定功率下输出电压测试数据

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

8.076

0.076

0.95

8.041

0.041

0.5125

8.059

0.059

0.7375

8.074

0.074

0.925

8.06

0.06

0.75

8.084

0.084

1.05

由以上数据得知：

额定功率下输出电压在8V的

0.1V以内。

按测试步骤二，测试额定功率下的供电效率，测试结果如表3所示。

表3额定功率下供电效率测试数据

供电电压/V

供电电流/A

总输出电压/V

总输出电流/A

实际效率/%

23.89

2.411

8.046

4.876

68.11

24.06

1.966

8.049

4.03

68.57

24.06

1.975

8.071

4.016

68.21

24.05

1.96

8.068

4.017

68.75

24.06

1.963

8.057

4.019

68.56

24.07

1.955

8.055

4

68.47

由以上数据得知：

额定功率下供电效率大于68%。

按测试步骤三，测试输出总电流为1A、1.5A、4A时各个开关电源模块的均流效果，测试结果如表4、5、6、7、8和9所示。

表4均流效果（1A）模块1测试数据

理论值/V

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

0.505

0.500

0.005

0.990

0.502

0.494

0.008

1.584

0.504

0.499

0.006

1.119

0.501

0.502

0.001

0.198

0.500

0.500

0.000

0.000

0.498

0.494

0.004

0.693

表5均流效果（1A）模块2测试数据

理论值/V

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

0.505

0.51

0.005

0.990

0.501

0.5

0.001

0.200

0.500

0.5

0.000

0.000

0.503

0.506

0.003

0.596

0.498

0.501

0.004

0.704

由以上数据得知：

当输出总电流为1A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于1%。

按测试步骤五，测试输出总电流为1.5A时各个开关电源模块的均流效果，测试结果如表6和7所示。

表6均流效果（1.5A）模块1测试数据

理论值/V

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

0.497

0.5

0.003

0.671

0.497

0.5

0.003

0.604

0.497

0.499

0.002

0.470

0.496

0.499

0.003

0.672

0.493

0.495

0.002

0.338

0.497

0.5

0.003

0.671

表7均流效果（1.5A）模块2测试数据

理论值/V

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

0.993

0.99

0.003

0.336

0.994

0.991

0.003

0.302

0.993

0.991

0.002

0.235

0.991

0.988

0.003

0.336

0.987

0.985

0.002

0.169

0.993

0.99

0.003

0.336

由以上数据得知：

当输出总电流为1.5A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于0.4%。

按测试步骤六，测试输出总电流为4A时各个开关电源模块的均流效果，测试结果如表8和9所示。

表8均流效果（4A）模块1测试数据

理论值/V

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

2.022

2.020

0.002

0.099

2.015

2.005

0.010

0.472

2.037

2.040

0.003

0.147

2.015

2.025

0.010

0.496

2.025

2.044

0.019

0.938

表9均流效果（4A）模块2测试数据

理论值/V

实际值/V

绝对误差/V

相对误差/%

2.022

2.024

0.002

0.099

2.015

2.024

0.010

0.472

2.037

2.034

0.003

0.147

2.015

2.005

0.010

0.496

2.025

2.006

0.019

0.938

由以上数据得知：

当输出总电流为4A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于0.4%。

按测试步骤七，测试在保持输出电压为8V

0.1V时，控制输出总电流在1.5~3.5A内变化，两个开关电源模块在0.5~2A内按比例1:

2、1:

4、1:

7、1:

10、1:

12、1:

15分配的测试结果如表10和11所示。

表10均流效果模块1（3A）测试数据

理论值/A

实际值/A

绝对误差/A

相对误差/%

0.994

1.000

0.006

0.603

0.632

0.628

0.004

0.632

0.375

0.372

0.003

0.8

0.305

0.309

0.004

1.311

0.235

0.239

0.004

1.702

0.189

0.192

0.003

1.587

表11均流效果模块2（3A）测试数据

理论值/A

实际值/A

绝对误差/A

相对误差/%

2.006

2.01

0.004

0.199402

2.368

2.372

0.004

0.168919

2.625

2.637

0.012

0.457143

2.695

2.729

0.034

1.261596

2.765

2.77

0.005

0.180832

2.811

2.812

0.001

0.035575

由以上数据得知：

当输出总电流为4A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于1.8%。

5结论

本设计采用STC12C5A60S2单片机产生10KHZ的可调制脉冲信号控制串联型开关电源中开关管的导通与截止，采用高端电流检测方法将每个开关电源模块的输出电流转换成电压供单片机采集，采用电阻分压构成的电压检测电路将每个开关电源模块的输出电压缩减两倍供单片机采集。

采用单片机自带的10位ADC实时检测每个开关电源的电流和电压值，当外部因素使输出电压或电流发生变化时，单片机实时调整PWM信号从而构成双闭环实现稳压均流的目的。

经测试，在额定功率下，输出电压稳定在8V

0.1V以内，供电效率大于68%。

当输出总电流为1A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于1%。

当输出总电流为1.5A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于0.4%。

当输出总电流为4A时，开关电源模块1和2的输出电流相对误差绝对值小于0.4%。

在保持输出电压为8V

0.1V时，控制输出总电流在1.5~3.5A内变化，且两个开关电源模块可在0.5~2A内按指定比例自动分配，相对误差绝对值小于1.8%。

具有过流保护和自动恢复功能。

附录1：

电路原理图

附图1开关电源电路与电流电压检测电路

附图2单片机控制系统