开关电源模块并联供电系统.docx

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1、2011年全国高校生电子设计大赛编号：A甲（）1312题目：开关电源模块并联供电系统参赛学校：山东理工高校指导老师：赵艳雷姜吉顺学生姓名：林叶楠王国豹张静斌电子邮箱：Iinynfs（yahoo手机号码：151653333835开关电源模块并联供电系统摘要本开关电源并联供电系统由32位ARV芯片作为限制器，采纳电流互感罂获得主从模块的电流，利用精密电阻分压采样获得输出电压信号，从而构成主从式均开关电源并联供电系统，主模块为电压、电流双闭环限制，从模块为单电流环，经过ARM芯片处理PWY谢整，系统实现8V输出电压，负载电流在设定比例之间变更，两个模块的输出电流可在052O范围内按指定比例调整，具有

2、过流爱护，负我电压辘出稔定，实现主从模块限制的并联供电系统依据设定比例高效供电。关键词:并联供电:开关电源：ARM：PWMAbstractThepowersupp1.yiscontro1.1.edbyanarmCorteX-In3ncu,Iheoutputissupp1.iedby2buckcircuits.Thesystemcanbeadjustedbyafeedback1.ooptocorrecttheerror,andmonitorpresentva1.uesonaTFTscreen.TheoutputcurrentcanbodistributedinarangebetweenO.5-2

3、.O.Thesystemhasanover-currentprotection,isanidea1.so1.utionofpowersupp1.y.Keywords:para1.Ie1.powersupp1.y,switchingpower,.ARM,I*HM一、方案论证及比较1、开关电源并联均流方案论证方案一：输出阻抗法：输出阻抗法通过调整开关变换器的外特性即调整输出阻抗达到并联模块接近均流的目的，也称电压谢整率法。方案二：主队设置法：主从设置法是在并联的n个变换器模块中，人为的制定其中一个为主模块，而其余各模块跟从主模块安排电流，称为从模块。该方法适用于有电潦型限制的并联开关电源系统中，电

4、流型限制是指开关电源模块中有电压限制和电流限制，电流环为内环，电压环为外环。下图为2个变换器模块并联的主从限制原理图。图中每个模块都为双环限制系统，设模块1为主模块，按电压限制规律工作,模块2按电流型限制方式工作。工为主模块的基准电压，匕为输出电压反债信号。经过电压误差放大能，得到误差电压匕,它是主模块的电流基准，与力（反映主模块电流1.大小）比较后，产生限制电压V,限制调制器和驱动器工作。主模块电流将按电流基准匕调制，即模块电流近似与修成正比。各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差匕输入各跟随器，跟随器输出均为匕，为从模块的电流基准，因此各个从模块的电流均按同一值匕调制

5、，与主模块电流基本一样，从而实现模块间的均流。综合比较，由Tg目中要求不低于60%的供电效率和两模块输出电流按指定的比例自动安打，且每个模块的输出电流相对误差的肯定值不大于2%,在方案一中，对电压源来说，内阳R（H斜率）应越小越好，但是这种均流方法利用变更R。来实现均流，降低了电源输出的负我特性，即以牺牲电路的技术指标来实现均潦，而方案二调整精度比较高，还能满意较高的供电效率，所以选择方案二.2 .BOOST变换器方案论证buck拓扑运用基本的buck电路实现DC-DC变换,buck拓扑电路简洁,效率高,输出功率一般在50w以下。（2）单端正激变换器单端正激变换器是在buck变换器的基础上，加

6、入变压器隔离而实现的,电路实现相对简洁，输出电流波形好，输出功率一般在5O-2OOw,但电路中高频变压器计算困难。（3）单端反激变换器反激变压器结构简洁，漉波电路简洁，常用于2610OW的场合，但开关管须要承受高于2倍的输入电压。综合题目要求,电路DC-DC变换器模块的设计须要达到16W8V的输出，同时供电效率不应低下60%,电压变换器模块仅需满意小功率输出即可，考虑到加入变压器隔离会降低电路效率，同时会加大电路参数计算的困难度，因此在本系统设计中选用基础的buck电路实现DC-DC变换。3 .系统限制模块方案论证（1）通过51单片机进行限制通过51单片机进行限制，限制电路简洁，并且有很好的敏

7、捷性，但51单片机处理速度在处理数据很大的时候会受到影响，同时须要部分芯片的支持才能完成整个系统的限制与检测，增大了电路设计的困难性。（2）通过DSP进行限制DSP与其他单片机相比，拥有极快的运算速度，可进行多种困难知法的快速计算，同时，DSP也有着许多常用外设的支持，可以简化电路设计，但是运用DSP会增加系统总成本。（3）通过STM32进行限制作为.ARM最新的微控器构架，s1.m32拥有极快的运算速度和极其丰富的外设的支持，同时微控器传价很低，与其他32位单片机相比，stm32在限制器领域有极高的性价比。综合题目要求.在系统中要实时检测电路工作状态，同时通过系统工作状态的反馈数据进行下一步

8、的处理，系统要求微控器可以同时对多任务进行处理，51单片机在多任务处理上不具备优势，同时可能面临因任务不能刚好处理而导致系统崩溃，DSP可以以极高的效率完成系统限制，但成本过高，因此,在本系统的设计中采纳stm32作为限制系统的核心进行限制。4 .过流爱护电路（1）采纳硬件电路实现过流爱护便件电路实现过流爱护，电路相应速度快，但是硬件电路的设计参数计算困难，并且电路调整范围小，仅适用于输出范围较小的系统.（2）采纳软件限制实现爱护软件限制实现过流爱护，相对于搭建硬件电路，可以明显削减成本，同时可以在很宽的范用内动态调整各种爱护参数，编程敏捷，但实时性较硬件电路差。考虑题目要求,电路要求实现过流

9、爱护功能.因之前的设计中己包括电流采样，从可武用性，成本，调整范围等多方面综合考虑，在本系统中采纳软件实现过流爱护。二、原理分析与系统设计1.BUCK驱动电路设计设计要求:驱动半桥电路,输出电压要求大于11s管开启电压,隔离后级buck电路mos管的地电位。BUCk电路中mos管因为浮地的缘由不能卜脆驱动，所以利用凹凸端驱动芯片ir2110聊动buck电路中的mos管。依据设计须要，出动三极管型号为FS50SMJ,驱动电压为10Y,因此选用ir2110作为n-11s驱动芯片,同时加入C1.,C2,C3三个电容滤波，电容参数取为ITonF,依据实际状况调整“2. BUCK电路参数分析及稳压方案设

10、计-1.f1.设计要求：输入电压为24Y直流,输出电*为8V直流，纹波电压取为0.5-%Ut,.mos管开关频率收为40kHz.为保证输出电流连续.选取/“mm=10%X/M=OIX16+8=0.1A连续状态：1.1.,1.1.nWJ-7；得1.=I67H2Ri取电感1.为临界值得1.2倍，1.=200H1.200x0ft340XI(P3晶间管的峥(ftA/=i+a,=12+:!=12.167tt223线波电压取05%7-(2.51.(,)2=26F8x2(X)10*().5%83加入电容C5作为输出墟波3 .电压检测在输出端通过分用电阻干脆采样，分用电阻由3个20kQ电阻串联组成，采样值为输

11、出电压的3。4 .电流检测电流检测通过霍尔传感器进行采样，考虑电路最大输出电流为4A,过流爱护闵值为4.5A,所以每个模块可能流过的最大电流大于3A,霍尔传感港选择HFB-PS5,器件额定输入电流5A,测量电流范围016A,三、单片机系统软件设计本程序通过键盘设定电流比例，利用P1.算法限制RWN波占空比，实现电压的稳定输出，并且为了削减干扰,软件采纳中断周期采样，既只在中断周期内采样，这样避开采样到毛刺，进行错误推断，导致输出电压不稳定，再依据电流采样调整主从模块的输出电流。采纳电流:感涔获得主从模块的电流，利用精密电阻分压采样获得输出电压信号，从而构成主从式均开关电源并联供电系统，每个模块

12、均为电压、电流双闭环限制，外环限制电压，内环调整电流，软件主流程（见图3T）四、测试数据4.1 基本部分数据测试结果*为输出电流的相对误差的肯定值测试项目电流比例1:1电流比例1:2标准值实测值标准值实测值Uo(v)8.0+0.4V8.05V8.00.4V8.05VI1.（八）0.5A0.5050.5A0.50512(A)0.5A0.4971.0A0.997I（八）1.0A1.021.5A1.52n(%)60%67%260%67%误差（）W5%3%嗅5%2%表4-1-国中碍N4.2发挥部分数据测试结果指定电流比例测试项目标准值指定比例0.5指定比例1.5指定比例2.0Uo(v)8.00.4V8

13、.05V8.02V8.O1.VI1.0.5-2.OA0.76A0.91A1.03A120.5-2.00.770.590.51I(A1.5A1.53A1.50A1.54A(%)260%限7%69.4%70.4%误差（）W2%1%1%1%表4-2数据测试结果电流比例1:1电流4A项目测试标准值比例1:1Uo（V）8.0+0.4V8.04I1.（八）2.OA2.0312A)2.OA2.05I（八）4.OA4.08(%)260%68%(%)W2%1%4.3实测波形:电路测试波形91=2.5AI=IAI=1.5A电流比例1:1.5电路测试波形驱动脓冲与输出电流电路测试波形1=2AI1.=!AI=IA电流

14、比例1：1五、结论系统结构合理，运行稳定，所需功能完整实现,两个模块的输出电流可在要求比例范围内按指定的比例自动安排能达到开关电源模块并联供电系统的各项要求。模式自动安抖电潦，每个模块的输出电流的相对误差的肯定值不大于遥。额定输出功率工作状态供电系统效率达到68%。六、参考文献1谭博学苗汇静.集成电路原理及应用.电子工业出版社，2010（美）Pressman.（著），王志强（译）.开关电源设计（其次版）.电子工业出版社,20053张占松，媒宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社,20044周志敬周纪海纪爱华开关电源好用技术设计与应用北京：人民邮电出版社，2007年5刘志英标准DC-De开关电源设计数字技术与应用2009年第8期七、附录4、DC-DC模块（从）5、单片机系统三;sre三息售&:E样.,三S7-注港