8伏稳定开关电源模块的设计大学论文.doc

德州学院 机电工程系机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计）

8伏稳定开关电源模块的设计

摘要：本系统以超低功耗单片机MSP430为控制核心，利用MOS管和电感构成DC/DC（Buck）变换单元，实现系统由24V降到恒定8V的功能要求；利用MSP430调整PWM波的占空比来实现电流自动分配为1:1、1：2或者任意比例输出的目的；利用独立键盘来控制系统的电源开关、电流比例自动调整、自设比例等的要求。此外还有按键、显示、报警等功能。本设计除了完成基本功能和发挥部分以外，还进行了创新发挥，液晶显示显示输入电流和电压，并在短路保护时进行语音播报和显示。
关键词：MSP430；关电源；PWM；电流自动分配
1引言
1.1选题的目的和意义
电源是各种电子设备的必不可少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标。目前采用的有两种：线性电源，开关电源两大类。主要优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（为60～70%，而线性电源只有30～40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化，稳压范围宽等优点。但存在严重的开关干扰，开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。因此对于开关电源的研究就有重要意义。
另外，暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦，本系统以超低功耗单片机MSP430为控制核心，利用MOS管和电感构成DC/DC（Buck）变换单元，利用MSP430调整PWM波的占空比来实现电流自动分配为1:1、1：2或者任意比例输出的目的；利用独立键盘来控制系统的电源开关、电流比例自动调整、自设比例等的要求。此外还有按键、显示、报警等功能。这个设计结构简单，维修方便，耗能少
1.2开关电源的电流自动分配问题
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制控制IC和MOSFET构成。
开关电源，就是把市电整流过后得到的直流电压，利用开关的导通和关断，将该电压截成矩形波(当然，实际的波形并非完美的矩形波，而是会有过冲)，这样做的意义就是把高能量切割成无数个低能量，传递到输出端去，输出端会通过输出电压高低，对输入端进行反馈(调整切割的频率，以及切割的宽度大小——占空比)，达到稳定输出电压的目的。
。
2系统总体方案及结构框图
本系统主要由MSP430，降压模块，键盘模块，DC_DC电压转换、电流转换模块组成。系统结构框图如下：

图1 系统结构框图
3 开关电源的硬件设计
3.1系统硬件的整体组成部分
系统硬件整体主要分为电压转换电路和电流采样分配两部分，24V电源对并联DC-DC模块进行供电，输出恒定的8v直流电压，经过电流的采样和比例自动调整得到不同比例的电流比，电流值通过液晶进行显示；控制器通过采样适时调整pwm的占空比，控制输出电压为稳定的8v；控制器通过调整pwm占空比调整电流，当整体的电流值大于4.5A时，控制器进行过流保护，并能够自动恢复。整个系统的供电和电流比例的1:2调整通过键盘进行通断与设置。整个系统经过测试，单元电路能够很好的协调工作。
系统整体电路图如下图2所示：

图2 系统总硬件电路图
3.2控制器工作电路设计
MSP430单片机内部有MSP430的时钟、低功耗、各种端口、定时器、LCD、硬件乘法器、12位AD转换。在低功耗方面，其处理其功耗（1.8—3.6V,0.1—400uA，250UA/MPS）和口线输入漏电流在世界都是最低。MSP430的RAM数据保持模式下耗电仅为0.1uA，活动模式耗电250uA/MIPS，I/O输入端口的漏电流最大仅为50nA。在4kHZ，2.2V条件下单片机电流为2.5uA，在1MHZ，2.2V条件下单片机电流为280uA。在本系统中考虑到功耗低、所用I/O较多的要求，采用它是极为方便的。电路图如下：

图3 MSP控制器及简单外围电路

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3.3 DC_DC模块设计
该部分的设计采用单片机MSP430控制占空比，输出PWM波，利用PWM波控制mos管P60NF06的通断，鉴于单片机输出的电平较小，在mos管的控制级加一个放大三极管。由于mos管本身的功耗，我们采用两个mos管并联，以减小mos管的内阻，降低压降损耗。后级采用BUCK降压电路，对24V电压进行降压处理，得到稳定的8V电压。DC_DC模块电路图如图4所示：
图4并联DC_DC模块电路

3.4过流保护及自动恢复电路的设计
本电路采用温度漂移小的康铜锰铜丝作为采样电阻，其电阻率为1.3Ω/m,考虑到单片机的识别能力及功耗问题，经反复测试，选用电阻值为0.1Ω，可以精确采样到其两端电压，经过公式：

计算输出电流值，当其输出总电流达到4.5A时，单片机进行过流动作保护。当电流故障排除后，电源输出自动恢复。
3.5均流分配电路设计
本系统的DC_DC恒压后，为达到均流和电流比例自动分配，我们通过单片机控制输出PWM波控制MOS管的通断，两路电流分别进行电流取样输入单片机，单片机分析控制各自支路的PWM占空比控制电流，从而达到均流的目的，具体电路图如下图5所示：
3.6蜂鸣器电路设计
为了保护系统，我们设计了蜂鸣器电路与单片机相连，当负载短路时进行保护。具体电路图如下图6所示：

图6 报警器
图5 电流采样

3.7键盘模块电路设计
考虑到本系统的设计要求，键盘只需要如右图所示即可满足要求。电路图7所示：

图7 键盘模块

4 系统的软件设计
图4为系统主程序流程图。系统初始化后，当复位键按下后，系统进入额定功率输出状态，通过按键控制电流比例输出，并输出的电压、电流显示在显示屏上；MSP430单片机在电流比的预设值下，通过AD采样控制PWM波达到合适的频率和占空比，来控制输出电压和稳定的电流比。当系统输出电流达到4.5A,系统自动断开输出，进行保护动作，并且在排除过流保护后，电源自动恢复正常。
主程序
#include
#include "AD.h"
#include "PWM.h"
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
void cor_ya(uint yazhi0,uint yazhi1);
void displays();
uint DISPLAY1; //数码管显示数
uint DISPLAY2;
uint DISPLAY3;
uint DISPLAY4;
uint display0; //AD转换存储值
uint display1;
uint display2;
uint display3;
uchar count=0;
static uchar adc_flag=0;
int results[4]={0};
float AD0=0,AD1=0,AD2=0,AD3=0;

int main( void )
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; //关闭看门狗
int_clk(); //初始化时钟
int_adc(); //初始化AD转换
PWM_INT(); //初始化PWM
int_shuma_io(); //初始化数码管
int_timer(); //定时器A初始化
_EINT();
while(1)
{
displays();
}

}
# pragma vector=TIMERA1_VECTOR
__interrupt void Timer_A(void)
{
switch(TAIV)
{
case 2:break;
case 4:break;
case 10:
if(adc_flag==0)
{
ADC12CTL0 |= ADC12SC;
ADC12CTL0 &=~ADC12SC;
};break;
default: break;
}
}
#pragma vector=ADC_VECTOR
__interrupt void ADC12ISR(void)
{
while((ADC12CTL1&0X01)==1);//等待转换完成
adc_flag=1;
results[0] =ADC12MEM0; //读取转换值0
results[1] =ADC12MEM1; //读取转换值1
results[2] =ADC12MEM2; //读取转换值2
results[3] =ADC12MEM3; //读取转换值3

}
void displays(void)
{
while(adc_flag)
{
AD0+=results[0];
AD1+=results[1];
AD2+=results[2];
AD3+=results[3];
count++;
if(count==100)
{
//AD=AD/100本来是要除100，但是为了取的ADC小数的后两位的BCD码还要在乘于100，所以就除10
AD0AD0*2.5)/3100;
AD1=(AD1*2.5)/3100;
AD2=(AD2*2.5)/3100;
AD3=(AD3*2.5)/3100;
display0=AD0; //保持采样值0
display1=AD1; //保持采样值1
display2=AD2; //保持采样值2
display3=AD3; //保持采样值3
count=0;
results[0]=0;results[1]=0;
results[2]=0;results[3]=0;
AD0=0;AD0=1;AD0=2;AD0=3;
}
adc_flag=0;
}

DISPLAY1=display0/1000%10;//计算电压的十位数据
DISPLAY2=display0/100%10;//计算电压的个位数据
DISPLAY3=display0/10%10;//得到小数的后一位
DISPLAY4=display0%10;//得到小数的后两位
cor_ya(display0,display1);
show(DISPLAY1,4);
show(DISPLAY2,5);
show(DISPLAY3,6);
show(DISPLAY4,7);
}
void cor_ya(uint yazhi0,uint yazhi1)
{
uint biao_pin=104;
uint biao_ya1=52;
uint biao_ya2=52;
uint zhi0,zhi1,lastzhi0;
int m,n;
m = yazhi0-biao_ya1;
n = yazhi1-biao_ya2;
zhi0 = yazhi0;
zhi1 = yazhi1;
lastzhi0=zhi0;

if((m>2000)||((m+2000)<=0))
{

if((n>2000)||((n+2000)<=0))
{
PWM_CON_A(biao_pin,biao_ya1,biao_ya2);
}
else
{
PWM_CON_A(biao_pin,lastzhi0,biao_ya2);
}

}
if((m>0)||(n>0))
{
if(m>=1000)
{
zhi0=zhi0-5;
}
else
{
zhi0=zhi0-3;
}
if(n>=1000)
{
zhi1=zhi1-5;
}
else
{
zhi1=zhi1-3;
}

PWM_CON_A(biao_pin,zhi0,zhi1);
}
if((m>0)||(n<0))
{
if(m>=1000)
{
zhi0=zhi0-5;
}
else
{
zhi0=zhi0-3;
}
if((m-1000)<=0)
{
zhi1=zhi1+5;
}
else
{
zhi1=zhi1+3;
}

PWM_CON_A(biao_pin,zhi0,zhi1);
}
if((m<0)||(n>0))
{
if((m+1000)<=0)
{
zhi0=zhi0+5;
}
else
{
zhi0=zhi0+3;
}
if(n>=1000)
{
zhi1=zhi1-5;
}
else
{
zhi1=zhi1-3;
}
PWM_CON_A(biao_pin,zhi0,zhi1);
}
if((m<0)||(n<0))
{
if((m+1000)<=0)
{
zhi0=zhi0+5;
}
else
{
zhi0=zhi0+3;
}
if((m+1000)<=0)
{
zhi1=zhi1+5;
}
else
{
zhi1=zhi1+3;
}
PWM_CON_A(biao_pin,zhi0,zhi1);
}
}
5 系统测试
5.1 测试仪器
示波器、DT9205A+4四位半数字万用表、电感测试仪。
5.2 测试方法与数据分析
5.2.1 数据结果：
表一：供电系统效率
输入电压
输入电流
输出电压
负载电流
电源效率
24V
1.0A
8
2.2
73.3%
24V
1.31A
8.01
2.12
66.10%
24V
0.98A
8
1.96
66.7%
表二：DC/DC降压
输入电压
负载电阻
输出电压
误差%
24
10欧
8.01
0.13%
24
8欧
7.95
0.63%
24
6欧
7.97
0.38%
24
4欧
8.12
1.50%
24
2欧
8.03
0.38
表三：总电流在1A下支路电流的1：1比例分配
总路I
0.97 A
1.02 A
1.00 A
0.95 A
0.93 A
支路I1
0.48A
0.52 A
0.53 A
0.54 A
0.48 A
支路I2
0.49A
0.50 A
0.47 A
0.51 A
0.45 A
误差
0.71%
1.21%
1.71%
1.34%
1.48%

表四： 短路过流保护
现象
短路保护
过流保护
故障排除
动作值
8V
4.5A
正常

表五：输出电流Ｉ１.５～３.５Ａ范围内支路电流的比例分配
电流分配比总电流I

I1
I2
误差
1:02

1.52
0.53
1.50%
1:03

1.53 A
0.51
1.64%
3:01

1.43
1.01
3.01%
4:01

0.45
0.53
3.50%
1:04

0.61
2.88
2.45%

5.2.2系统的数据分析：
由表一可见，本系统达到了供电系统的效率不低于６０％的目的，达到了题目要求。
由表二可见，我们的降压模块很好地达到了输出恒定为８Ｖ的目的，在题目误差范围内。
由表三可见，系统很好的达到了题目要求的自动调整电流为1：1的要求。
由表四可见，题目中要求的短路过流保护可以保护整个系统
由表五可见，在误差范围内，可以达到两路电流的各项比例。
6 总结
本文设计的开关电源模块并联控制系统以MSP430为控制核心，较好的实现了题目中开怪电源模块并联控制系统的各项要求和功能指标。两路电流自动可调，电源功率精准，并且有输出电压恒定，I1、I2输出电流比例恒定等要求，过流保护以及过流后自动恢复和语音播报功能。该系统电路实用，电流输出智能化，设计更加人性化。我们在学习过程中得到了锻炼，拓展了视野。
参考文献
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[2] 张占松，开关电源的原理与设计[M]. 电子工业出版社, 2004(9):45～98
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[4] 孙余凯 吴鸣山 项绮明, 555时基电路识图[M].北京：电子工业出版社， 2005：1～70
[5 赵同贺,新型开关电流典型电路设计与应用[M].北京：中国农业出版社，2010：1～68
[6] 郑国川 李洪英,实用开关电源技术[M].福建：福建科学技术出版社，2004： 173～195
[7]王志强,精通开关电源设计[M].人民邮电出版社 ,2008:89~104，244~283
[8]森 荣二,LC滤波器设计与制作[M].科学出版社 ,2006年：13~19

Design of 8 volts stabilized switching power supply module
Liu Jihong
(Dezhou University Department of mechanical and electrical engineering, Shandong Dezhou 253023)
Abstract：This switch power supply module parallel control system with low power consumption MCU MSP430 as control core, MOS tube and the inductance of a DC/DC (Buck) transformation system unit by 24 V to constant requirements of function; 8 V This system using MSP430 sampling, adjust the PWM waves respectively of the value of empty implements current distribution of 1:1, 1:2 automatic or arbitrary ratio of output purpose; Use the keyboard to control system of independent power switch, the current ratio to be automatic adjustment, sets up the proportion of requirements. In addition to button, display, call the police modules and functions. We also carry a innovation play, in the input and output section shows the input voltage and current. In the overload protection, do a buzz, realize the alarm good human-machine interaction. The whole system to accomplish the topic of the basic requirements and play a part and high cost performance.
Keywords: MSP430, switch power, PWM, current automatic allocation

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德州学院 机电工程系 2013届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计）

谢辞
万分感谢学校在我们即将毕业之际，为我们准备了这么好的一次锻炼我的机会，给了我们一个大练兵的机会，在论文的准备过程中，孙老师给予了无微不至的关怀，时刻关注着我们的成长，在毕业之际，感谢孙老师，感谢机电系的老师，是你们让我度过了人生中这一段愉快而难忘的时光，谢谢！