开关电源模块并联供电系统.docx
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开关电源模块并联供电系统
1.设计要求及方案论证选择
1.1设计任务及要求
设计要求设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。
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:
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
1.2设计方案
1.2.1方案一
以LM22596为核心的系统设计,LM2596系列是美国半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片,它内含固定频率振荡器(150KHZ),和基准稳压器(1.23v),并具有完善的保护电路:
电流限制、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。
提供有:
3.3V、5V、12V及可调(ADJ)等多个电压档次产品。
单片集成电路LM2596,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。
固定输出版本有3.3V、5V、12V,可调版本可以输出小于37V的各种电压。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件。
由于该器件只需4个外接元件,可以使用通用的标准电感,极大地简化了开关电源电路的设计。
其封装形式包括标准的5脚TO-220封装(DIP)和5脚TO-263表贴封装(SMD)。
该器件还有其他一些特点:
在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在±4%的范围内,振荡频率误差在±15%的范围内;可以用仅80μA的待机电流,实现外部断电;具有自我保护电路(一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路)
LM2596系列开关稳压集成电路的主要特性如下:
(1)最大输出电流3A;
(2)最高输入电压40V;
(3)输出电压3.3V、5V、12V及ADJ等,最大输出电压37V;
(4)震荡频率150KHZ;
(5)转换效率75%~88%(不同电压输出时的转换效率不同);
(6)工作温度范围-40℃~+125℃;
(7)有低功耗和正常两种模式,可外部控制;
(8)工作模式控制:
TTL电平相容;
(9)所需外部组件较少,仅四个(不可调)或六个(可调);
(10)具有热关断及电流限制器件保护等措施;
(11)具有5脚(TO-220(T)和TO-263(S))两种封装形式。
LM2596内部包含150KHZ振荡器、1.23v基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、和内部放大器、比较器稳压电路等。
为了产生不同的输出电压,通常将比较器的负端接基准电压(1.23V),正端接分压电阻网络,其中R1=1KΩ,R2分别为1.7KΩ(3.3v),3.1KΩ(5V),8.8KΩ(12V)、0(ADJ)。
将输出电压的分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较,若电压有偏差,则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比,从而使输出电压保持稳定的+8V输出。
电路如下图1所示。
图1.8V恒定电压产生电路
1.2.2方案二
采用Buck型DC-DC降压器。
当晶体管导通时,二极管截止(t=0~DTs),输入电压Vs向能量传递电感L充磁,同時提供能量给负载和电容;当晶体管截止时,二极管导通(t=DTs~Ts),电感把前一阶段贮存的能量全部释放给负载和电容.显然,晶体管导通的时间越长,即D越大,负截获得的能量越多,输出电压越高。
优点:
(1)电路简单。
(2)动态特性好。
缺点:
(1)输入电流是脉动的,这将会引起对输入电源的电磁干扰,所以在实际应用中常在电源与变换器之间增加一个输入滤波网络
(2)稳态电压比永远小于1,只能降压不能升压;
(3)开关晶体管发射极不接地.这将使其驱动电路复杂
图2.Buck电路
1.2.3方案三
带变压器的开关电源,由于使用高频变压器可可以做到输出电压宽,开关管占空比合适。
实质是将Buck电路中的储能电感改换成变压器利用变压器的的电磁感应提高电路系统的转换效率。
比较以上三种方案可知,方案一可以是输出电压稳定且波动小但功耗太大难以满足题目要求,方案二技术成熟电路简单,技术成熟,但它的的转换效率不高。
方案三利用变压器的电磁感应特使得电路的转换效率大大提高。
最后决定采用方案三。
2单元模块设计
2.1供电部分
由于所有的供电部分只能由24V输出且纳入效率计算,本系统采用LM2596-ADJ的输出电压可变和LM2596的固定输出电压来构成。
供电系统电路图如下图2、3所示:
(1)利用LM2596-ADJ的基准电压:
图3.稳定10V电源产生电路
(2)利用LM2596-5.0的固定输出产生稳压5V电源给单片机供电:
图4.稳定5V电源产生电路
2.2PWM波产生电路
它的主要特点是:
输出级采用推挽输出,双通道输出,占空比0-50%可调,每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。
可直接驱动MOSET管,工作频率可高达400KHZ,具有欠压锁定、过压保护和软启动功能。
该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级,软启动及关断电路等组成,可正常工作的温度范围是0-700C。
基准电压为5.1V士1%,工作电压范围很宽,通常为8V~35V。
脉宽调制器的特点:
(1)工作电压范围宽:
8~35V;
(2)5.1V士1%微调基准电源;
(3)振汤器上作频率泡围觅:
l00~400kHz;
(4)具有振荡器外部同步功能;
(5)死区时间可调;
(6)内置软起动电路;
(7)具有输入欠电压锁定功能;
(8)具有PWM锁存功能,禁止多脉冲;
(9)逐个脉冲关断;
(10)双路输出(灌电流啦电流):
500mA(峰值);
引脚功能:
(1)反相输入(引脚1)误差放大器的反相输入端,该误差放大器的增益标称值为80dB,其大小由反馈或输出负载而定,输出负载可以是纯电阻,也可以是电阻性元件和电容元件的组合。
该误差放大器的共模输入电压范围为1.5~5.2V。
此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。
负反馈控制时,将电源输出电压分压后与基准电压相比较。
(2)同相输入端(引脚2):
此端通常接到基准电压引脚16的分压电阻上,取得2.5V的基准比较电压与引脚1的取样电压相比较。
(3)同步端(引脚3):
用于外同步,需要多个芯片同步工作时,每个芯片有各自的振荡频率,可以分别与它们的引脚4相副脚3相连,这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步;也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。
(4)同步输出端(引脚4):
同步脉冲输出,作为多个芯片同步工作时使用。
但几个芯片的工作频率不能相差太大,同步脉冲频率应比振荡频率低一些。
如不需多个芯片同步工作时,引脚3相副脚4悬空。
引脚4的输出频率为输出脉冲频率的2倍。
输出锯齿波的电压范围为0.6~3.5V。
(5)震荡电容引脚(引脚5)其取值范围0.001PF~0.1PF。
(6)振荡电阻端(引脚6):
振荡电阻一端接至引脚6,另一端直接接至地端。
RT的阻值决定了内部恒流值的决定,其取值范围为2~15Okn。
RT越大,充电时间越长;反之,则充电时间短。
(7)放电端(引脚7):
Ct的放电由5、7两端的死区电阻决定。
把充电和放电回路分开,有利于通过死区电阻来调节死区时间,使死区时间调节范围更宽,其取值范围为0~500no放电电阻RD和乙越大,放电时间越长;反之,则放电时间短。
(8)软起动(引脚8):
比较器的反相端,即软起动器控制端(引脚8),引脚8可外接软起动电容。
该电容由内部UREF的50PF恒流源充电。
(9)补偿端(引脚9):
在误差放大器输出端引脚9与误差放大器反相输入端引脚1间接电阻与电容,构成PI调节器,补偿系统的幅频、相频响应特性。
补偿端工作电压范围为1.5~5.2V。
(10)封锁端(引脚10):
引脚10为PWM所存器的一个输入端接过流信号。
过流检测信号维持时间长时,软起动引脚8接的电容C将被放电。
电路正常工作时,该端呈高电平,其电位高于锯齿波的峰值电位(3,30V)。
在电路异常时,只要引脚10的电压大于0.7V,三极管导通,反相端的电压将低于锯齿波的谷底电压(0.9V),使得输出PWM信号关闭,起到保护作用(输人高电平关闭信号)。
(11)脉冲输出端(引脚11、引脚14):
输出末级采用推挽输出电路,驱动场效应功率管时关断速度更快。
引脚11与引脚14相位相差180。
拉电流和灌电流峰值达200nA。
由于存在开闭滞后,使输出和吸收之间出现重叠导通,在重叠处有一个电流尖脉冲,持续时间约为100ns。
(12)接地端(引脚12):
该芯片上的所有电压都是相对于引脚12而言,既是功率地也是信号地。
在实际电路中,由于接入误差放大器反相输入端的反馈电压也是相对于引脚12而言,所以主回路和控制回路的接地端应相连。
(13)推挽输出电路电压输入端(引脚13):
作为推挽输出级的电压源,提高输出级输出功率。
可以和电源端15引脚共用一个电源,也可用更高电压的电源,电压范围是18~34V。
(14)芯片电源端(引脚15):
直流电源从引脚15引人分为两路:
一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端,产生5.1V土1的内部基准电压。
如果该引脚电压低于门限电压(8V),该芯片内部电路锁定,停止工作(基准源及必要电路除外)使消耗的电流降至很小(约2mA)。
另外,该引脚电压最大不能超过35V,使用中应该用电容直接旁路到地端引脚12。
(15)基准电压端(引脚16):
基准电压端引脚16的电压由内部控制在5.1V土1。
可以分压后作为误差放大器的参考电压。
利用SG3525产生的电路如下图5所示。
图5.SG3525PWM波产生电路
2.3DC-DC部分
当功率晶体管受控导通时,高频变压器将电能变成磁能存储起来。
而在晶体管受控截止时,高频变压器原、副电压极性改变。
整流二极管由反偏变为争相导通,高频变压器就将原先存储的磁能变为电能,通过整流二极管向负载和输出电容充电。
此电路的整流二极管是在功率晶体管截止时才导通。
图6.DC-DC电路
2.4单片机控制显示部分
此部分采用AT89C51A单片机进行控制。
本设计需要用的软件资源比较简单,只需要完成数控部分,以及显示输出功能。
采用AT89C51A进行控制比较简单,对于本设计来说,可以满足要求。
显示部分用的是液晶LCD1602进行显示,对要求支路用ADC0809进行采样,并用送到液晶屏显示。
此处要进行电压和电流值的采样,对于电压来说,ADC0809采样回来的是电压值,很容易实现,难点是对一个回路的电流进行采样并且显示。
2.4.1电压采样说明
1.内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,芯片结构如图7所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。
图7.ADC0908引脚
2.引脚功能
ADC0809芯片有28条引脚,采用双列直插式封装,各引脚功能如下说明:
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
3位地址输入线,用于选通8路模拟输入中的一路
ALE:
地址锁存允许信号,输入,高电平有效。
START:
A/D转换启动信号,输入,高电平有效。
EOC:
A/D转换结束信号,输出,当A/D转换结束时,此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。
OE:
数据输出允许信号,输入,高电平有效。
当A/D转换结束时,此端输入一个高电平,才能打开输出三态门,输出数字量。
CLK:
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
ADC0809的工作过程是:
首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。
图8.电压采样电路
2.4.2程序流程及PROTEUS仿真图
仿真时的基准电压不能大于5V(注基准电压过大会造成ADC0809的烧坏),所以屏上显示的数字的电压也是一样的,不能大于5V。
系统主程序流程如图9所示,A/D转换流程如图10所示,控制程序在PROTEUS软件中仿真截图见附录C。
图9.流程图图10.AD转换程序流程图
3系统测试及结果说明
1.主要测试仪器
数字示波器,数字万用表,信号发生器,直流稳压电源
2.测试结果
输出电压(V)
子路1电流I1(A)
子路2电流I2(A)
负载电流I0(A)
8.33
0.450
0.437
0.987
8.30
0.563
0.569
1.132
8.26
0.789
0.792
1.581
8.12
0.821
0.813
1.634
8.02
1.048
1.052
2.10
3.测试结论
实验结果如上表,通过实验结果可以看出本实验实现了:
DC-DC模块在额定功率下输出电压在7.6V到8.4V之间,输出1A的情况下,电流之比为1:
1,I1=0.512A,I2=0.488A,整个回路的转换效率大于70%,输出电流在1.5A到3.5A连续可调,输出电流为4A的时候,两个模块的电流之比为1:
1,I1=2.113A,I2=1.887A,利用保险丝实现当电流超过4A时电路切断。
参考文献
【1】高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[M],北京:
电子工业出版社.2007.
【2】全国电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:
北京理工大学出版社.2003.
【3】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计(第二版)[M],北京:
北京航空航天大学出版社2011.
【4】李建忠.单片机原理与应用[M],西安:
西安电子科技大学出版社,2008.
附录A控制程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
/*********************************************************************************
*AD0809控制信号
*********************************************************************************/
ucharadd;
sbitOE=P2^0;
sbitEOC=P2^1;
sbitST=P2^2;
//sbitCLK=P2^7;
sbitLcdrs=P2^4;
sbitLcdrw=P2^5;
sbitLcden=P2^6;
uintBUFFER;
ucharchannel=0x8A;//10001010,ABC=000选择第三通道同时使ST=0,OE=0输出数据线呈高阻状态,EOC=1。
voiddelay(uintz)
{
uintx,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
voidwrite_com(ucharcom)
{Lcden=0;
Lcdrs=0;
Lcdrw=0;
Lcden=1;
P0=com;
delay(5);
Lcden=0;
delay(5);
}
voidwrite_date(uchardate)
{Lcden=0;
Lcdrs=1;
Lcdrw=0;
Lcden=1;
P0=date;
delay(5);
Lcden=0;
delay(5);
}
voidLcd1602_init()
{
Lcden=0;
write_com(0x38);
write_com(0x0c);
write_com(0x06);
write_com(0x01);//光标右移。
;
}
voidseg_display(void)
{
uintshu,bai,shi,ge,qian,bai0,shi0,ge0;
BUFFER=(BUFFER)*196;//0.0196=5/255
bai0=BUFFER/10000;
shi0=(BUFFER%10000)/1000;
ge0=((BUFFER%10000)%1000)/100;
write_com(0x8A);
shu=(100*bai0+10*shi0+ge0)*2;
qian=shu/1000;
bai=(shu%1000)/100;
shi=(shu%1000%100)/10;
ge=shu%10;
write_date(0x30+qian);
write_date(0x30+bai);
write_date('.');
write_date(0x30+shi);
write_date(0x30+ge);
write_date('A');
}
voidAD_TURN(void)
{
ST=0;
ST=1;
ST=0;
while(EOC!
=1);
OE=1;
BUFFER=P1;
delay(30);
OE=0;
}
voidmain()
{
Lcd1602_init();
delay(10);
P3=channel;
delay(5);
while
(1)
{AD_TURN();
seg_display();
write_com(0x80);
write_date(0x30+8);
write_date('.');
write_date(0x30+0);
write_date(0x30+3);
write_date('V');
}
}
附录Bproteus仿真截图
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