开关电源模块并联供电专业系统设计.doc

选 修 课 设 计 (论 文) 题 目 开关电源模块并联供电系统设计 专 业 电子信息工程 班 级 111 112班 姓 名 邓逸博 孙浙飞 汪超 指导老师 王章权 所在学院 信息学院 完成时间： 5月开关电源模块并联供电系统设计电子信息工程专业 邓逸博 孙浙飞 汪超摘 要：本设计设计制作是开关电源模块并联供电系统，能够广泛应用在小功率及多种电子设备领域，能够输出8V定压，功率可达成16W，并依据要求对两路电流进行按百分比分配。本系统由DC/DC模块，均流、分流模块，保护电路组成。DC/DC模块以IRF9530芯片为开关，配以BUCK外围电路实现24V-8V降压和稳压。采取LM328比较电路实现电流和电压检测，控制由DC/DC模块组成并联供电系统均流和分流工作模式，经过比较器电路实现过流保护。同时进行LCD1602液晶同时显示、独立键盘输入控制。输入值经过单片机处理程序来控制输出电压，且输出电压和电流可实时显示。关键词： DC/DC模块，BUCK，电流分流 目 录一、绪论1二、设计目标和基础要求1（一）、设计目标1（二）、基础要求2三、系统设计2（一）、系统框图2（二）、硬件设计和方案选择31、单片机选择32、主电路选择33、驱动电路图44、辅助电源55、电流、电压采样66、显示、按键7(三)、软件设计71、主程序72、按键程序83、液晶程序94、采样程序105、中止、PID步骤图11四、调试过程12（一）、碰到问题及处理措施12（二）、数据分析13五、体会和展望14参考文件15附 录15附录1整体电路图15附录2程序代码16一、绪论分布式直流开关电源系统替换传统集中式直流开关电源系统已成为大功率电源系统发展方向：（1）单台大功率电源轻易受技术、成本限制；（2）单台直流开关电源故障会造成整个系统故障，而分布式电源系统由若干电源模块并联组成，某个电源模块故障不会造成整个电源故障；（3）可依据实际负荷改变，自动确定需要投入运行模块数量或解列退出模块数量，对变负荷运行很有意义；（4）因为多个电源模块并联运行，使每个电源模块承受电应力较小，含有较高运行效率，且含有很好动态和静态特征。分布式电源系统需要处理关键问题是实现多个并联运行模块输出相同功率。伴随通信电源技术高速发展，电力电子设备和大家工作、生活关系日益亲密，而通信电子设备全部离不开可靠电源。进入20世纪80年代，计算机电源全方面实现了开关电源化，率先完成计算机电源换代；进入20世纪90年代，开关电源相继进入多种电子、电气设备领域，程控交换机、通信、电力检测设备电源、控制设备电源等全部已广泛使用了开关电源，更促进了开关电源技术快速发展。二、设计目标和基础要求（一）、设计目标设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W8V DC/DC模块组成并联供电系统（见图2.1） 图2.1 两路buck电路并联供电（二）、基础要求（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统直流输出电压UO=8.00.4V。在额定输出功率工作状态下，供电系统效率不低于60% 。（2）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，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，调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.00.4V，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，每个模块输出电流相对误差绝对值小于5%。调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.00.4V，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，每个模块输出电流相对误差绝对值小于2%。（3）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使负载电流IO在1.53.5A之间改变时，两个模块输出电流可在（0.52.0）范围内按指定百分比自动分配，每个模块输出电流相对误差绝对值小于2%。 （4）含有负载短路保护及自动恢复功效，保护阈值电流为 4.5A（调试时许可有0.2A偏差）。在额定输出功率工作状态下，深入提升供电系统效率。三、系统设计（一）、系统框图 图3.1 系统框图系统说明：以单片机为关键处理元件，DC-DC变换器为主电路。按键、显示便于人机交互。驱动电路将单片机和DC-DC变换器隔离，辅助电源给单片机和采样电路供电。单片机将电压电流经过采样电路，运放采样回来在内部进行A/D处理，然后将数据输出液晶显示。在内部进行算法调整。使整个系统稳定，并达成基础要求。整个系统设计如上图3.1所表示。（二）、硬件设计和方案选择1、单片机选择方案一：使用89C51单片机指令简单，易学易懂，外围电路简单，硬件设计方便，IO口操作简单，无方向寄存器，资源丰富，价格廉价、轻易购置，资料丰富轻易查到，程序烧写简单，但要外接A/D、D/A芯片，来实现对整个供电系统控制，需要占用较多I/O接口，会使一般单片机承载过大数据处理任务，功耗较大。方案二：使用ATmega16，ATmega16外设特点：两个含有独立预分频器和比较器功效8位定时器/计数器，两个含有预分频器、比较功效和扑捉功效16位定时器/计数器，含有独立预分频器实时时钟计数器，两路8位PWM，4路分辨率可编程(216位)PWM,输出比较调制器，8路10位ADC，面向字节两线接口I2C总线，两个可编程串行USART,可工作于主机/从机模式SPI串行接口，含有独立片内振荡器可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。特殊处理器特点：上电复位和可编程掉电检测，片内经过标定RC振荡器，片内/片外中止源，6种睡眠模式，能够经过软件进行选择时钟频率，经过熔丝位能够选择兼容模式，全局上拉严禁功效。结合前两个方案优点，经过方案比较和论证，最终确定使用方案二，因为ATmega16速度快 自带PWM ，自带AD，而用89C51会使电路愈加复杂和不稳定所以，用ATmega16单片机和其它控制器电路同实现整个系统控制。2、主电路选择方案一：有一个型号为LM2956降压开关电压调整器，能够输出3A驱动电流，同时含有很好线性和负载调整特征，该器件内部集成频率赔偿和固定频率发生器，极大地简化了开关电源电路设计。方案二：采取SG3525自带脉宽调制电源芯片来设计DC-DC降压转换电路，SG3525简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路,死区时间可调、软开启控制电路、PWM锁存器，有过流保护功效，频率可调，同时能限制最大占空比。由此设计而成电路易于实现脉宽调制，然而在真正使用时会发觉，为得到要求电压输出值，开关管S参数选择相当不易。方案三：将经过隔离变压器，整流滤波后得到24VDC经过BUCK降压电路进行DC-DC转换，由ATmega16 单片机产生PWM控制其占空比，从而得到要求直流电压。此方案仅用一块控制芯片不仅能够实现对BUCK电路控制，而且能够结合A/D和D/A对输出电压进行调整和显示。因为ATmega16 单片机自带能够产生脉宽调制所需PWM信号端口，在实际制作中用起来比较方便。ATmega16单片机自带8路10位A/D转换。结合前两个方案优点，经过方案比较和论证，最终确定使用方案三图3.2，因为ATmega16单片机，自带PWM模块，能够输出PWM方波控制电路，节省芯片成本，也可实现AD转换。用单片机和其它控制器电路同实现整个系统控制。3.2 主电路图3、驱动电路图方案一：单片机输出PWM，采取IR2101驱动DC-DC电路中IRF9530，控制输出电压。方案二：先采取光耦TLP250和单片机进行隔离，有效保护单片机，以后用IRF3205去驱动MOS管IRF9530，控制输出电压。结合两种方案对比选择方案二图3.3，因为方案二中采取光耦，将单片机和主电路隔离，能够有效保护单片机，而且也能使正常使电路工作。图3.3 驱动电路图4、辅助电源方案一：采取集成三端稳压集成芯片，7815和7805分别给光耦和运放，还有单片机供电，7815内含过流，过热，过载保护电路。方案二：采取LM2575开关稳压集成芯片，它内部集成了一个固定振荡器，是一个高效稳压芯片，大多数情况下无需加散热片。内部有完善保护电路，包含电流限制及热关断电路等。它能够依据用户要求选择输出电压，可输出3.3V，5V，12V，15V。然后再经过7805产生5V电压。结合两种方案对比选择方案二图3.4，因为方案二中LM2575是可调整输出电压芯片，方便调控，而且它内部有电压基准比较，使输出电压能够正确并稳定，比7815要正确，且性能好。图3.4 辅助电源电路图5、电流、电压采样 采样模块是输出电压经过采样回来，形成一个负反馈.经过单片机内部A/D进行处理，然后使输出愈加稳定和正确。电压采样模块直接采取LM358运放图3.5，将输出电压缩小一定倍数后，然后送给单片机处理判定。电流采样是经过0.1欧/4瓦采样电阻后，缩小一定倍数，然后经过一个差分电路，将电压值送入单片机进行处理图3.6。图3.5 电压采样电路图图3.6电流采样电路图6、显示、按键显示部分采取字符型液晶1602，能够同时显示16x02即32个字符。16个引脚，3个控制引脚，8位双向数据端引脚。含有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧特点。用户能够对EN、RW、RS数据进行编程，然后经过D0D7输出显示数据。其引脚功效图见下表6.1表6.1 1602引脚功效图按键部分采取四个独立按键，分别控制占空比加和减，对输出电压和电流进行控制，使输出能够达成期望要求，其按键功效表如表6.2。 表6.2按键功效表键名S1S2S3S4功效PWM1加0.2%PWM1减0.2%PWM2加0.2%PWM2减0.2%CPU端口号PD0PD1PD2PD3(三)、软件设计1、主程序图3.7为主程序步骤图，一开始给系统各部分初始化，包含按键初始化，液晶初始化，PWM初始化，AD采样初始化，中止初始化，然后在进入大循环，在循环内进行数据显示，包含目前输入占空比为多少，目前采样回来数字量和实际电压值为多少。还有按键程序，和AD采样。同时每10毫秒进入定时器0中止进行调整。图3.7主程序步骤图2、按键程序按键程序步骤图图3.8所表示。按键采取四个独立按键，分别控制PWM1，PWM2加和减，当有键按下时，扫描按键，然后进入判定。判定目前寄存器对应值是否大于了设定上限值，假如没有则数值加1，假如达成了则钳位在最大上限值。然后返回数据。经过按键程序，能够控制占空比调整。 图3.8按键程序步骤图3、液晶程序图3.8为1602液晶屏程序框图，1602由3个控制引脚，8位双向数据端引脚控制显示内容和位置。所以，这部分程序关键有初始化函数，写命令函数和写数据函数组成。初始化函数关键对液晶屏显示模式进行设定，写命令函数关键是对显示位置和显示方法进行设置，写数据函数是决定显示内容。 图3.8 1602程序步骤图4、采样程序图3.9是采样程序步骤图。一开始配置AD寄存器，然后开启AD寄存器，然后将采样回来数据组合成10位数据，然后采样8次，去头去尾后，对其求平均值。将数据处理后，给液晶显示。然后进行电压判定，是否小于要求最小值，假如是话进行钳位，然后是否小于设定最大值，是话，就是在要求范围内，那就进行PID算法调整，进行电流分流。假如大于最大值话，就进行钳位。图3.9 AD采样程序步骤图5、中止、PID步骤图图3.10和3.11分别是中止步骤图和PID算法程序步骤图。定时器0中止定时10毫秒溢出中止，在中止中进行PID调整，和电压反馈调整。PID算法是依据公式，对采样电阻采样回来电压进行反馈计算。依据对P,I,D三个参数设置，然后结合算法公式，对输出数据进行不停调整，达成要求值。 图3.10 定时器0中止 图3.11 PID算法步骤图四、调试过程（一）、碰到问题及处理措施（1）、在对电路板进行设计，做板子时候，经过封塑机出来后板子，然后用腐蚀剂进行腐蚀，得到了一块单面板，当我们把器件焊上去时候发觉，跟我们预期反了一下，全部器件全部反了一下，这么子，整个电路就不能用了。经过我们讨论和思索，我们认为是我们在打印出油印纸时候没有将它镜像，使整块板子就是根据反面印了出来，经过我们镜像后，发觉和我们所需要板子是一样了，全部元器件全部能根据原来位置进行装配。而且板子也能正常工作。（2）、在整个电路全部做出来以后，进行模块调试时候发觉方波波形并不是很好，有一点曲线，经过老师上课讲解指导了是，栅极旁边电阻阻值太大，因为有分布电容，全部会充放电，使波形不是很理想。经过计算后选择了一个适宜阻值，使波形能够达成电路要求。还有在整体调试时候，发觉上面一路测试点，一直是0，下面一路一直是1A左右，经过主电路排查后，发觉没有问题，然后对测试点进行排查，发觉测试点夹子松掉了，使电流全部往下去了。将夹子焊好后，电路正常工作。（3）、在进行程序调试时候，一直在使用内部1M晶振，所以一直精度上不去，调整全部是很粗调整，电流一直达不到指标。还有液晶刷新很慢，按键要按很久才能用。以后查阅了资料，发觉在烧写程序时候要勾上熔丝位，假如使用是8M以上外部晶振话，那就要把熔丝位全部勾上。这么才是在使用外部16M晶振。将熔丝位勾上后，调整程序后，发觉精度大大提升了。能够达成基础要求。还有在对PID参数设置时候，一开始没有头绪，随便调，以后看论坛和同学谈论，发觉要一个一个参数调，在经过数次试验后，将PID参数调整好了，是指标达成了要求。（二）、数据分析表4.1和表4.2是在电流1:1情况下，百分比调整和PI调整数据对比。表4.1负载为8.9, 两模块电流按1:1分配（百分比反馈）I1（A）I2 （A）I总 （A）Uo（V）给定值0.5051.08.0测量值0.5050.5151.0028.24绝对误差1%3%0.2%3%表4.2负载为8.5, 两模块电流按1:1分配（PI反馈）I1（A）I2 （A）I总 （A）Uo（V）给定值0.5051.08.0测量值0.4940.5081.0078.08绝对误差1.2%1.7%0.7%1%表4.3和表4.4是在电流1:2情况下，百分比调整和PI调整数据对比。表4.3负载为7.0，两模块电流按1:2分配情况（百分比反馈）I1（A）I2 （A）I总 （A）Uo（V）给定值0.51.01.58.0测量值0.4620.9301.4977.71绝对误差7.6%7%0.2%3.6%表4.4负载为5.9，两模块电流按1:2分配情况（PI反馈）I1（A）I2 （A）I总 （A）Uo（V）给定值0.51.01.58.0测量值0.5080.9811.5027.60绝对误差1.6%1.9%0.2%5%对比表4.1和表4.2能够看出，一样是1：1电流分配情况下，百分比调整误差在5%以内，达成了基础要求，不过在PI调整下，能够看出误差精度已经达成了2%要求。对比表4.3和表4.4能够看出，一样是1:2电流分配情况下，百分比调整误差已经超出了5%要求，而在PI调整下精度达成了2%以内。对比着两组数据，能够看出了在PI调整下精度大大提升，说明了PID算法在控制方面优势，使整个系统愈加完善。五、体会和展望经过这次选修课学习，学到了专业知识方面部分知识。整个学习过程是很关键。因为这个学期在学习电力电子这门课，而课题又恰好和电力电子相关知识相关，所以对于这次课程，经过对整个系统设计，测试，调整。愈加好了解了电力电子和开关电源相关知识，也更深入学习到了部分课堂上无法学习到东西。将课堂理论知识和实践想结合，将学习到东西愈加印象深刻，不用去死记硬背，能够灵活利用。对于编写程序，整体逻辑性还要加强。步骤图要写好再写程序。对于展望，期望能够在以后学习中把硬件方面学愈加好，能够把不足给填补。在程序方面多学习一下她人算法。学愈加好，期望一次比一次有进步。参考文件1 程汉湘，武小梅电力电子技术第二版. 科学出版社2 谭浩强C程序设计第三版，北京：清华大学出版社，.113 童诗白，华成英.模拟电子技术，第四版北京：高等教育出版社，.54 阎石数字电子技术基础，第五版.北京：高等教育出版社，.55 蒋燕君.自动控制原理.重庆大学出版社,.1附 录附录1整体电路图附录2程序代码/*main.c*/#include#include#include1602.h#includekey.h#includead.h#includepid.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10/*定时器0中止*/void timer0_init(void) TCCR0 = 0x00; /停止定时器 TCNT0 = 0x64;/初始值,每10毫秒进一次中止 TIMSK = 0x01; /许可中止 SREG |= BIT(7); /许可全局中止/*外中止0函数*/void timer0_ovf_isr(void) TCNT0 = 0x64; pid1_calculating(); /PID调整OCR1A pid2_calculating(); /PID调整OCR1B com_vol(); /电压反馈/*PWM设置输出*/void KPWM(void) PORTD|=BIT(4)|BIT(5); DDRD|=BIT(4)|BIT(5); TCCR1A = 0xA2; /两路PWM，匹配清零 TCCR1B = 0x11; /相位修正PWM模式，位数可调，预分频1 ICR1 = 800; /此数为16位PWM，16M晶振，clk/(2*N*TOP),频率为10K OCR1A = 255; /占空比31.8% OCR1B = 255; /占空比31.8%void main() KPWM(); /PWM函数 LCD_init(); /1602初始化函数 key_init(); /按键初始化函数 timer0_init(); /定时器0初始化 adcport_init(); /AD端口初始化 while(1) Display_PWM(); /显示PWM函数press(); /按键函数display_AD0(); /显示AD0模拟量和数字量 /*1602.h*/#ifndef _1602_H_#define _1602_H_#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint MS);void write_com(uint com);void write_dat(uint dat);void LCD_init();void Display_PWM();void calculate_AD0();#endif/*1602.c*/#include#include#include1602.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*显示固定数组PWM:*/const uchar tab=PWM:;/*延时函数*/void delay(uint MS) /约为1MS延时函数 uint i,j; for(i=0;iMS;i+) for(j=0;j2282;j+); /2282是在16MHz晶振下为MS毫秒/*1602写地址*/void write_com(uint com) PORTA&=BIT(5); /RS=0 PORTA&=BIT(6); /RW=0 PORTB=com; /送地址 delay(5); PORTA|=BIT(7); /EN=1 delay(5); PORTA&=BIT(7); /EN=0/*1602写数据*/void write_dat(uint dat) PORTA|=BIT(5); /RS=1 PORTA&=BIT(6); /RW=0 PORTB=dat; /送数据 delay(5); PORTA|=BIT(7); /EN=1 delay(5); PORTA&=BIT(7); /EN=0 /*1602初始化*/void LCD_init() DDRA=0XFF; DDRB=0xFF; delay(5); write_com(0X38); /设8位数据线,双行,5*7点阵 delay(5); write_com(0X0c); /开显示,不显示光标 delay(5); write_com(0X06); /输入地址自加,屏幕不移动 delay(5); write_com(0X01); /清屏 delay(5);/*显示PWM占空比*/void Display_PWM() uchar i; uint shi,ge,xiaoshu,beichu; uint shi1,ge1,xiaoshu1; shi=OCR1A/100; /将OCR1A百位拆分 ge=OCR1A/10%10; /将OCR1A十位拆分 xiaoshu=OCR1A%10; /将OCR1A个位拆分 beichu=ICR1/10; /将ICR1变为两位数 shi1=OCR1B/100; /将OCR1B百位拆分 ge1=OCR1B/10%10; /将OCR1B十位拆分 xiaoshu1=OCR1B%10; /将OCR1B个位拆分 write_com(0x80); for(i=0;tabi!=0;i+) write_dat(tabi); write_com(0x84); write_dat(shi*100+ge*10+xiaoshu)*100/beichu/100+0x30); /显示十位 write_dat(shi*100+ge*10+xiaoshu)*100/beichu/10%10+0x30); /显示个位 write_dat(.); write_dat(shi*100+ge*10+xiaoshu)*100/beichu%10+0x30); /显示小数点 write_dat(%); write_com(0x8a); write_dat(shi1*100+ge1*10+xiaoshu1)*100/beichu/100+0x30); /显示十位 write_dat(shi1*100+ge1*10+xiaoshu1)*100/beichu/10%10+0x30); /显示个位 write_dat(.); write_dat(shi1*100+ge1*10+xiaoshu1)*100/beichu%10+0x30); /显示小数点 write_dat(%); /*AD.H*/#ifndef _AD_H_#define _AD_H_void adcport_init();void ADC0INIT(void);void ADC1INIT(void);void ADC2INIT(void);int get_ADCdata(void);float get_ave(int a8);float get_ADC0data(void);float get_ADC1data(void);float get_ADC2data(void);void display_AD0();#endif/*AD.C*/#include#include#include1602.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int /参考电压#define REF 5.12 /*ADC端口初始化*/void adcport_init() DDRA&=BIT(0); PORTA&=BIT(0); DDRA&=BIT(1); PORTA&=BIT(1); DDRA&=BIT(2); PORTA&=BIT(2);/*ADC0初始化*/void ADC0INIT(void) ADMUX=0x40; /AREF基准压，结果右对齐，通道为ADC0 ADCSRA=0x87; /使能ADC，单次转换，预分频为128 ADCSRA|=(1ADSC); /开启首次转换 while(!(ADCSRA&(1ADIF); /等候转换结束 ADCSRA|=(1ADIF); /清除ADIF位/*ADC1初始化*/void ADC1INIT(void) ADMUX=0x41; /AREF基准压，结果右对齐，通道为ADC1 ADCSRA=0x87; /使能ADC，单次转换，预分频为128 ADCSRA|=(1ADSC); /开启首次转换 while(!(ADCSRA&(1ADIF); /等候转结束循环 ADCSRA|=(1ADIF); /清除ADIF位/*ADC2初始化*/void ADC2INIT(void) ADMUX=0x42; /AREF基准压，结果右对齐，通道为ADC2 ADCSRA=0x87; /使能ADC，单次转换，预分频为128 ADCSRA|=(1ADSC); /开启首次转换 while(!(ADCSRA&(1ADIF); /等候转结束循环 ADCSRA|=(1ADIF); /清除ADIF位/*获取ADC采样值*/int get_ADCdata(void) int a,b; a=b=0; b=ADCL; /读高位后数据更新 a=ADCH; /再读取ADCH数据 a=(a8); /右对齐，左移八位 a=(a|b); /组成10位二进制数据 return a;/*去头去尾，获取平均值*/float get_ave(int a8)float v;unsigned char i;float sum=0;for(i=1;i7;i+) /从第2次到第6次数据sum=sum+ai;v=sum/6;return v;/*获取ADC0采样8次平均值*/float get_ADC0data(void)unsigned char i=0;float v;int buf8=0;for(i=0;i8;i+)ADC0INIT(); /AD初始化一次bufi=get_ADCdata(); /将数据放入数组v=get_ave(buf);return v;/*获取ADC1采样8次平均值*/float get_ADC1data(void)unsigned char i=0;float v;int buf8=0;for(i=0;i8;i+)ADC1INIT(); /AD初始化一次bufi=get_ADCdata(); /将数据放入数组v=get_ave(buf);return v;/*获取ADC2采样8次平均值*/float get_ADC2data(void)unsigned char i=0;float v;int buf8=0;for(i=0;i8;i+)ADC2INIT(); /AD初始化一次 bufi=get_ADCdata(); /将数据放入数组v=get_ave(buf);return v;/*将数据拆分送显示*/void display_AD0() int a,b; uchar s6,k6; uchar i,j,m; a=get_ADC0data()*REF/1024*1000; /将数据转化为十进制 b=get_ADC0data(); /数字量 s0=a/1000+0; s1=.; s2=a%1000/100+0; s3=a%100/10+0; s4=a%10+0; s5=V; k0=D; k1=:; k2=b/1000+0; k3=b%1000/100+0; k4=b%100/10+0; k5=b%10+0; write_com(0xC0); for(i=0;i6;i+) write_dat(si); write_com(0xC7); for(j=0;j=360) /实际电压值大于8.4V OCR1