XXXX年全国大学生电子设计大赛A开关电源模块并联供电系统

2011年全国大学生电子设计竞赛陕西赛区竞赛设计报告封面作品编号：（由组委会填写）作品编号：（由组委会填写）参赛队编号（参赛学校填写）学校编号组（队）编号选题编号说明1.为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码；2.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；3.“作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写；4.“参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。5.本页允许各参赛学校复印。1开关电源模块并联供电系统设计与总结报告摘要：本设计是针对2011年全国电子设计大赛A题，电路的设计是基于BUCK拓扑的开关稳压电路的拓扑结构，以美国NSC的LM2576为功率输出核心，提出一种基于并联Buck变换器的自主均流控制方法，该方法基于并联Buck变换器状态方程，设计了由控制电路、保护电路和驱动电路组成的自主均流的开关电源模块并联供电系统关键词：并联型自主均流控制2一．系统方案1方案比较与选择2。系统框图根据题目的要求，我们分析得出系统的主要模块有24V转8VDC-DC电路，电源电路，过流保护电路，MSP430最小系统以及显示部分，如下图所示。(1)控制芯片电路方案一：采用STC89C51单片机，51系列单片机为8位入门级单片机，价格便宜，控制简单，但指令周期长，执行速度慢，片内资源单一。方案二：采用AVR系列单片机，作为51单片机的升级版，在执行速度上大大提升，并集成了很多新的功能，下载方便。方案三：采用TI公司的MSP430F169单片机，其运算速度快，超低功耗，片内资源较丰富，内置多个中断源，112位ADC，以及12位DA转换，将不同功能的模拟电路，数字电路模块以及微处理器集成在同一个芯片上。鉴于MSP430的强大功能，本系统控制芯片采用MSP430。(2)DA数据输出电路方案一：采取MSP430内部自带的DA转换器，此种方案可降低硬件成本，但很产生DA结果不稳定。方案二：采取片外12位的TLV5617DA转换器，此种方案硬件成本提高，但比较稳定。方案三：采用MSP430片内12位DA转换器，但使用外部基准源REF191稳定输出。比较以上方案，我们采用方案三，不仅节约硬件成本，易于控制，而且能大大提高DA转换器的稳定性和精确度。(3)DC-DC模块电路：MSP430控制电路电源电路LCD显示DC-DC转换电路过流保护3方案一：隔离式DC/DC转换器，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；并有效地实现实现输出与输入电气隔离，但对变压器的要求较高。方案二：非隔离式DC/DC转换器。由于变压器存在漏磁和损耗，会造成效率低下，故采用非隔离型，题目要求是将24V直流电压转换为8V，为降压电路，因此buck型非隔离式DC-DC转换器。(4)控制方法方案一：电压型控制方法，开关变换器输出的电压VEB与参考电压比较并放大，得到误差信号VE，VE又与PMW比较器和锯齿波信号相比较，从而输出一系列脉冲，这些脉冲的宽度随误差信号VE的变化而变化。此方法夫人单环回路容易设计和分析，锯齿波幅度比较大，抗干扰能力比较强，但输入或输出的变化只能在输出改变时才能控制并反馈进行修正，响应速度慢，电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外电路限制输出电流。方案二：电流型控制方法，实在传统的电压型控制基础上，增加了一个内环（电流反馈环），使其成为一个双环路控制系统。此电路中回路稳定性好，负载响应快，具有过流保护和可并联性。双反馈回路使得电路分析变得比较复杂，由于控制回路需要电感电流控制信息，控制电路的存在增加了整个变换器设计的复杂性，同时也会影响变换器的效应。综合以上分析，本系统采用电流型控制电路。(5)电源电路由于提供24V直流电，采用78XX系列稳压以及LM1117逐级降压为MSP430提供3.3V供电电压。采用ICL766产生负极性的电压供给仪表放大器AD620.。二．理论分析1DC-DC变换器稳压方法利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC-DC转换。其中采用PWM技术，从输入电源提取能量随脉宽变化，在一个固定周期内实现平均能量转换。最终达到将固定的直流电压变换成可变的直流电压。2电流电压的检测使用与电感串联电阻来检测电流，控制信号和补偿斜坡通过比较器与误差放大器的输出进行比较，从而进行脉宽调制。3均流的方法在两个并联的模块中，以输出最大电流的模块为主模块，其余为从模块，利用二极管的单向导通性，只有电流最大的模块，才能率先导通。正常情况下，各4模块分配的电流均衡，若其中某一路电流突然变大，成为并联模块中电流最大的主模块，从模块以均流母线上的电流信号作为本模块的电流基准，跟踪基准信号，同时调整变换器输出电压，达到均流目的。4过流保护若电路中DA输出的瞬间电流过大，进入系统后，由于系统本身的自主均流作用，会将输出电压维持在一个比较稳定状态，从而达到过流保护的作用。三．开关电源电路的电路设计1、单元模块电路电流采样电路由低噪声、高增益的高精度差分放大器AD620组成的高端采样电路，如下图所示。C70.1uF12345678U3AD620AN1123W2R2100C170.01uFC180.01uFC140.1uF-9V+9VC60.1uFR410L310uHL410uHR74.7KR84.7KIN2-IN2+OUT2AD620采样电路C211000uF/25VC24470uF/35VVin1GND3ON/OFF5Output2Feedback4U5LM2576-ADJD5SS36L6100uH/5A123J2CON3123J3CON3D4SS36ZD21N4751R2820KC2610uF/50VC100.1uFIN2+5IN2-6OUT27U7BLM2581122R100.1R1710KR231KR133.9KR143.9KIN1+3IN1-2OUT11V+8V-4U7ALM258D91N4148D81N4148B1C3E2Q28050-SOT23C221000uF/25V24VDCINPUT1133W2W247KC110.1uFR241KR1810KOUT2IN2-IN2+DA2DC-DC主要功能实现模块DC-DC电路是本次开关电源设计的关键部分，经过再三考虑，决定采用NS公司的LM2576，有优质的线性和负载调节能力，在指定输入电压和输出负载条件下保证输出电压4%的误差，完全满足题目输入固定24V和输出8V条件下输出电压4%5的误差。LM258含有2个高增益，独立内部补偿的双运放，其适用于单电源供电的特性可减小专门为运放供电的电路。一级运放组成电压比较器，对DA输出电压进行IN1+3IN1-2OUT11V+8V-4U8ALM258C120.1uFR1910KR261KR251KR2010KOUT2OUT1AD放大后与输出电压进行电压比较；二级运放组成电压跟随器，分别由二极管IN4148选通到LM2576的反馈端，从而调节输出。IN1+3IN1-2OUT11V+8V-4U8ALM258C120.1uFR1910KR261KR251KR2010KOUT2OUT1AD电流采样电路调理电路2电源电路6VinGNDVoutU97812C27220uF/35VC28220uF/35VVinGNDVoutU107805C29220uF/35VVCC+9VD10SS36D11SS36输入24V采用三端稳压器件7812将输入的24V转换为12V，再用7805将电压转换为稳定的5V直流电压。NC1CAP+2GND3CAP-4VOUT5LV6OSC7V+8U1ICL7660C110uF/25VC210uF/25VC310uF/25V+9VD1SS36给AD620供电产生-9V电源电路3MSP430控制电路控制和显示电路采用TI公司的MSP430单片机控制与显示，显示采用高分辨率12864液晶，用以显示输出的两路电流之比和总的电流输出。4PCB设计（1）由于主模块DC-DC中存在电感，快速切换电流会引起电压瞬变，因此在PCB的制作开始就考虑了电感和接地回路最小，并尽可能的单点接地。此模块主要为模拟电路，采用大面积铺地。（2）开关导通和关断都存在一个电流环路，次环路都是高频，大电流的环路，布线和布局时都要将此二环路面积设计的最小。（3）注意芯片和开关管得散热，电容的引线不能太长，尤其是高频旁路不能有引线。四．系统测试1测试仪器直流稳压电源四位半数字万用表72测试结果总电流(A)0.981.011.512.001.982.472.434.12I1(A)0.490.500.501.000.481.230.582.06I2(A)0.490.511.001.001.481.221.832.03电流比例1:11:11:21:11:31:11:31:1误差的绝对值(%)0%1%0%0%2%0.5%2%1.5%效率（%）8281757372727068实测过流保护值为4.4A。五．实验总结综合上述各部分的测试结果：本设计圆满完成了题目的基本要求部分和发挥部分，经过反复的调试和理论验证，保证了开关电源并联供电系统的稳定工作，使直流输出电压稳定在8V,当调整负载电阻并保证输出电压时，无论是1:1模式1A还是1:2模式1.5A,每个模块的输出电流的相对误差绝对值都小于5%。当过流电流为4.4V，误差仅为1%.。在调试的过程中，不断的解决问题和发现问题，对开关电源的工作特性有了全新的认识。我们在此次的竞赛中都有了不小的收获。参考文献：1《模拟电子技术基础简明教程》清华大学出版社童诗白2《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用》清华大学出版社沈建华