2011全国大学生电子设计竞赛论文――开关电源模块并联供电系统(A题)

第1页共12页编号：A甲006042011年全国大学生电子设计竞赛开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】参赛学校：青岛理工大学学院：自动化工程学院指导老师：参赛队员：2011年9月3日第2页共12页摘要设计采用XilinxSparten6作为系统的主控芯片，对开关电源并联供电系统进行设计。设计通过主控器FPGA产生PWM控制波形，通过调节占空比控制BUCK电路的通断时间，从而达到调压、调流的目的。针对PWM的控制，增强其调节的可靠性与准确性，系统采用双闭环PID调节算法，外环电压环，内环电流环。系统采用霍尔电流、电压传感器对电路中电流、电压进行采集。使用16位高速并行AD转换器，对传感器采回的电流、电压值进行实时采样送入FPGA进行PID控制运算。关键字：DC-DC电流分配恒流恒压PWMAbstractDesignusingXilinxSpartan-6asasystemcontrolchip.DesignbymasterFPGAtogeneratePWMcontrolwaveform,byadjustingthedutycyclecontrolcircuitBUCK-offtimetoachievetheregulator,adjustingflowpurposes.ForPWMcontrol,andenhancethereliabilityandaccuracyofitsregulation,thesystemusesdouble-loopPIDcontrolalgorithm,theoutervoltageloop,theinnercurrentloop.SystemusestheHallcurrent,voltagesensorcircuitcurrent,voltageacquisition.Use16-bithigh-speedparallelADconverter,thesensortakenbacktothecurrent,voltagesamplesintotheFPGAforreal-timePIDcontroloperation.Keywords:DC-DCPWMconstantvoltageconstantcurrentdistribution第3页共12页1系统设计方案论证与比较在本设计中，采用电路模块设计思想，对整个电路以模块为单元，进行分析、比较、和论证，并仿真电路。系统由开关管电路、BUCK电路、检测电路、保护电路（欠压、过流）及各种辅助电路组成。系统总体结构图如图（1-1）所示。DC-DC1#DC-DC2#电压检测模块ADPI电流检测模块电流检测模块ADPI1ADPI2PWMPWMDC图1-1系统总体结构图1.1开关管电路方案一：采用光耦TLP250隔离开关管IRF540。由FPGA产生的频率为100kHz的PWM波经光耦隔离后，用作IRF540开关管的驱动信号。通过控制PWM的占空比来控制540的通断时间。继而实现对电压和电流的控制。此方案具有开关器件少，控制性能好，能有效隔离供电回路和控制回路，控制和实现方便。方案二：采用移相全桥,该电路供电效率高，但是其控制复杂，不易实现第4页共12页1.2DC-DC电路图1-2-1单相限降压型BUCK电路BUCK电路，电源向负载供电，同时电感贮存能量；当开关管截止时，电感释放能量，与肖特基二极管组成回路，选用合适的电感可以使电路工作在连续模式。因此可以使输出电压稳定在某一固定值。1.3检测电路方案一：电流测量采用鏮锰铜丝缠绕的电阻，测量其两端电压，经差分放大器放大转换成单短信号后，传入FPGA；电压测量将小电阻串入直流回路，测量其两端电压，经OP07放大后，将信号传入FPGA进行运算。此种方法虽不复杂，但其自行搭设的采集电路，可能会受到诸多因素如温度的影响而使精度受损。方案二：使用霍尔传感器，并搭设相应的外围电路。选取霍尔电流、电压传感器对电流和电压进行测量。此种方法数据测量精度高，具有良好的线性度，低温漂，抵抗外界干扰能力强，共模抑制比强，反应时间快。相比之下，我们认为选择方案二更为合适。2理论分析与计算2.1滤波电容的设计因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，第5页共12页rrrrCLN0.2VVRiI（1）电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与RC的乘积趋于常数，约为50~80μ*ΩF[3]。在本课题中取为75μΩ*F，由式(1)可得RC=25mΩ，C=3000μF。2.2滤波电感设计开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2)、(3)所示：INOLONLON/VVVVLiT（2）OLDLOFF/VVVLiT（3）off1/onsTTf(4)由上得：LinoLDonVVVVLTi(5)假设二极管的通态压降VD=0.5V，电感中的电阻压降VL=0.1V，开关管导通压降VON=0.5V。利用ONOFFS1TTf，可得TON=3.73μS，将此值回代式(5)，可得L=17.5μH2.3占空比计算根据：onTDT(6)由上得：ONOFFS1TTf，可得TON=3.73μS，则D=0.3732.4仿真设计我们先通过仿真软件SABER对硬件电路进行仿真，再通过硬件电路进行开环调试，最后加入闭环，测试过程中，调节负载的值（负载采用滑动变阻器），使DC-DC模块在第6页共12页额定功率16W时，输出电压在7.6V-8.4V之间，测量输入输出电流电压，并计算效率，软件调节PWM控制开关管，改变负载使I1与I2成一定比例。仿真原理图及波形如下图。我们对系统的PI特性进行了仿真，仿真结果如下图：图2-4-2仿真图图2-4-3仿真图3电路与程序设计3.1DC-DC主回路与器件选择BUCK电路，电源向负载供电，同时电感贮存能量；当开关管截止时，电感释放能量，与肖特基二极管组成回路，选用合适的电感可以使电路工作在连续模式。因此可以使输出电压稳定在某一固定值。图3-1DC-DC主回路场效应管的驱动芯片采用光电隔离器件TLP250，目的主要是实现了主电路与控制电路的隔离，保证控制信号占空比的稳定，减小主电路受到的噪声干扰，TLP250输出电压到场效应管的GS极两端的电压为15V，可达到很好的开关效果。第7页共12页123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Sep-2011SheetofFile:F:\allan\DDB\SwitchPower.ddbDrawnBy:Q1MOSFETNC90.1uFR3RES2NC1A2K3NC4GND5OUT6OUT7VCC8R11TLP250R4RES2R1RES2Q2MOSFETNC100.1uFR5RES2NC1A2K3NC4GND5OUT6OUT7VCC8R12TLP250R6RES2R2RES212J3CON212J4CON212J8CON212J9CON212J6CON212J7CON2+15V1+15V2+15G1+15G2图3-2光耦隔离电路4测试方案与测试结果表41输出电流不同时的效率测试Ui(V)Ii(A)Uo(V)Io(A)Φ(％)240.797.9122.0183.87241.017.8682.4880.50241.237.8193.0480.00241.457.7713.5378.60表4.2电流比例测试I1（A）I2(A)IO(A)I1:I2相对误差1.011.002.011:0.990.011.172.383.551:2.030.030.631.902.531:3.010.010.502.012.511:4.020.02表4.3电流在不同比例分配时的效率测试Ui(V)Ii(A)I1(A)I2(A)Io(A)Vo(V)I1：I2Φ(％)240.791.011.002.017.9121:183.67241.001.261.252.517.8581:182.18241.401.761.723.487.7611:180.15240.780.671.321.997.9221:284.21241.010.821.662.487.8681:280.50241.231.012.063.077.8181:281.04240.790.501.502.007.9201:383.54241.010.631.902.537.8731:381.20240.820.421.642.067.9091:482.39241.010.502.012.517.8771:481.56第8页共12页5结论本设计完成了基本和发挥部分的大部分要求。完成了双闭环PID的控制，用结构简单的电路实现了稳而迅速的稳定输出电压；完成了按比例自动分流，响应准确及时。同时，每个模块的相对误差保持在要求范围以内。[参考文献]1王兆安刘进军电力电子技术（第五版）机械工业出版社（2009-05出版）。2普利斯曼(AbrahamI.pressman)、比得斯(KeithBillings)、莫瑞(TaylorMorey)、王志强开关电源设计（第3版）电子工业出版社(2010-06出版)。3刘凤君现代逆变技术及应用电子工业出版社（2009-09出版）。附件附1电路原理图第9页共12页123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Sep-2011SheetofFile:F:\allan\DDB\SwitchPower.ddbDrawnBy:Q1MOSFETNL1INDUCTOR1C2010uFD1DIODEC90.1uFR3RES2NC1A2K3NC4GND5OUT6OUT7VCC8R11TLP250R4RES2R1RES2Q2MOSFETNL2INDUCTOR1C2110uFD2DIODEC100.1uFR5RES2NC1A2K3NC4GND5OUT6OUT7VCC8R12TLP250R6RES2R2RES212J15CON212J2CON212J3CON212J4CON212J1CON212J13CON212J11CON212J12CON212J8CON212J9CON212J6CON212J7CON2C1910uFC110.1uFC120.1uFC20.01uFC30.01uFC221.0uF+15V1+15V2+1-2+153O/P4-155C23HEDYCGQC10.01uF12J10CON212J14CON2R10RES2R8RES2R9RES2+1-2M3R13TBC50LA+1-2M3R14TBC50LAC130.1uFC140.1uFC150.1uFC160.1uFC170.1uFC180.1uF12J16CON212J17CON212J19CON212J18CON2Vin1GND2+Vo3-Vo40V5J23+-15Vin1GND20V3Vo4J20+5PNNNNNPPPP12J5CON2123J24CON3+15V1+15V2+15G1+15G1+15G2+15G2+15V3-15V3+15V3+15V3+15V3-15V3-15V3-15V3C4CAPC5CAPC6CAPC7CAPC8CAPR7RES2Vin1GND2+Vo3-Vo40V5J21+15Vin1GND2+Vo3-Vo40V5J22+15第10页共12页附2电路原理图modulePWM(inputCLK_50b,inputCLK_320b,inputclr,input[1:0]flag,input[7:0]chg,inputflag0,outputregpwm_out,outputregrs);reg[1:0]cnt;reg[15:0]count;reg[15:0]count1=16'd11700;integercount2;reg[27:0]delay=0;always@(posedgeCLK_50b)beginif(clr)delay=0;elsebeginif(delay28'h8000000)d