电子设计竞赛A题论文Word格式.docx

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本系统主要由DC/DC模块、信号采集处理模块、电流调节模块组成，下面分别论证这几个模块方案的选择。

1.1DC/DC方案的论证与选择

系统要求两个并联的DC/DC模块，输入电压均为24V，输出至8V，所以考虑降压型的DC/DC方案。

方案一：

采样集成脉宽调制器如TL494，此种芯片PWM产生较为简单，外围器件较少可以很快搭建起恒压输出电路。

但这种方案调整精度不高，要做到恒压和恒流输出较为困难。

方案二：

采用单片机来产生PWM而采用PWM斩波电路来实现DC\DC变换，这种软件产生PWM的方案不仅是PWM的产生和调整更加简单而且调整精度很高，还可以通过单片机实现多路模块的平衡控制。

对比以上两种方案方案二更加简单可行，所以本设计采用方案二。

1.2电压、电流测量方案的论证与选择

要得到恒定的电压，以及符合要求的电流，所以要对电路的输出电压、相关支路电流进行测量以便进行闭环控制。

易知电压可采用常用的串联分压方法测得。

经分析知可采用以下几种方案测量的电流。

电流采样芯片。

直接采用集成的电流采样芯片，这种电流采样芯片内阻小，电流采样较为精确。

但是成本较高，在精度要求不是很高的情况下，不优先考虑此方案。

串联大功率精密电阻，在其两端进行差分放大，然后送至AD采样。

这种方法简单直接，其电流的采集更加接近真实的电流。

综合以上两种方案的分析，选择方案二。

1.3电流调节算法法及实现方案

用PWM专用芯片产生PWM控制信号。

配合常用的并联均流技术实现电流均流（1:

1）控制。

其中均流采用模拟的方式，由于方案成熟，有均流精度高，动态响应好及实现冗余技术等特点。

但是该方案有控制不灵活，不可调节电流比例的缺点。

由单片机的PWM口产生占空比可变的PWM信号。

通过经典控制算法实现整个系统的恒压闭环控制，同时调节电流按指定比例分配。

易于实现，节约硬件成本。

综合考虑采用方案二。

2系统理论分析与计算

2.1开关电源器件参数的分析

2.1.1开关管的选择

该开关管选用P沟道功率场效应管IRF9540。

IRF9540的UDS=-100V,RDS=0.300Ω,I0=-12A。

MOSFET上承受的最大电压为Um,考虑输出电压10%的波动,电感的反峰尖刺为稳态值的20%,且留有余量,MOSFET承受的最大电压为40V,流经的最大电流为2A,而且由于其电阻值很小,故其功耗也很小。

根据上分析,IRF9530完全可以满足设计要求。

2.1.2续流二极管的选择

续流二极管应采用快恢复二极管,其具有开关特性好、耐压高、正向电流大等优点。

本设计采用快恢复二极管FR302,其耐压值为100V,正向电流为10A,最大恢复时间为100ns,满足设计要求。

2.2采样电阻的计算

由于采样电阻是串联在主电路当中，其主电流会流过采样电阻。

因其输出电流很大，为了尽量减少其功耗其电阻值应尽量小。

根据实际需要本设计在分支电路采用100mΏ±

1%的精密电阻，而总线电路采用50mΏ±

1%的精密电阻。

2.3比例电流的控制方法

本设计的电路要实现对电流的比例控制，这是有一个前提的，那就是输出电压必须稳定，为8V。

故此，本设计在调整电流比例的过程中，必须时刻考虑电压的控制。

本设计对电流比例的调控方法就是如下调控过程：

首先本设计将电压调整到要求的电压8V，然后本设计以其中一个DC-DC分支为基础，不改变驱动它的PWM波占空比；

调整另外一个DC-DC分支的PWM占空比，改变它的输出电流。

而输出电压在整个过程中保持不变，负载也保持不变，故而输出的总电流不变。

本设计通过改变其中一支的电流，另一支的电流就会呈相反变化，最终达到所需要的电流比。

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1系统总体框图

系统总体框图如图1所示,

图1系统总体框图

3.1.2DCDC模块系统框图与电路原理图

本系统采用Buck电路进行DC-DC变换。

利用调节开关管的占空比来控制输出电压。

开关管关断与开通交替进行,电感L将交替的存储和释放能量,电感L储能后使电压上升。

而电容C则将输出电压保持平衡,输出输入电压关系为:

Uo=Uinton/（ton+toff）---------------1-4

只需要通过改变开关管通断占空比即可得到所需输出电压。

图2DC/DC变换主电路

由于输出额定功率为36W，所以需要在开关管加驱动电路。

本设计选择的是IR2110,IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。

具有独立的低端和高端输入通道；

悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±

50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；

输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；

逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±

5V的偏移量；

工作频率高，可达500kHz；

开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；

图腾柱输出峰值电流为2A。

图3MOSE管驱动电路

图4单片机供电电源

图5输出滤波电路

图6液晶显示电路

图7XS128主控电路

图874HC244并行驱动电路

3.1.3电流测量子系统电路原理图

图9电流测量子系统电路

3.2程序的设计

3.2.1算法描述与设计思路

该设计中采用数字PI调节器进行电流电压的反馈控制。

它是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差：

----------------1-5

将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象（PWM波的占空比）进行控制，其控制规律为：

---------------1-6

其中u（t）为PI控制器的输出，e（t）为PI调节器的输入，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数。

简单说来，PI控制器各校正环节的作用如下：

比例环节：

即成比例的反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

通常随着Kp值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当Kp增加到一定程度，系统会变得不稳定。

积分环节：

主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之越强。

通常在Kp不变的情况下，Ti越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。

1、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要有稳压、电流比例控制，以及相应的键盘及显示程序。

1）键盘稳压及电流比例控制功能：

当负载变化时，保证输出电压始终稳定在8±

0.4V,同时调整占空比使电流的之比达到自动或指定分配的比例。

2）键盘及显示部分：

通过按键选择系统的工作模式----自动比例分配电流和指定比例分配电流。

同时在LCD上显示相应模式的状态电流、电压等参数。

2、程序设计思路

3.2.2程序流程图

1、主程序流程图

4测试方案与测试结果

4.1测试条件与仪器

测试条件：

检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：

高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表，滑动变阻器。

4.3测试结果及分析

4.3.1额定输出功率

在额定功率下即每个DC/DC模块均输出电压8.0±

0.4V输出功率为16W：

表1功率、效率测试表

输入电压

输入电流

输出电压

输出电流

输入功率

输出功率

效率

24V

1.7A

7.96V

3.960A

40.8W

31.52

77.25%

4.3.2电流比例测试

表2电流比测试表

测试数据

7.9V

8.1V

8.04V

模块1电流

510mA

508mA

2013mA

模块2电流

492mA

998mA

2007mA

电流比例

1.04

0.509

1.003

4.3.3分析与结论

基本上达到了题目的各项要求，特别是在效率方面表现突出。

但是由于手工制作的原因，以及开关电源电路本身的限制，纹波难以完全消除，导致电路的测量不够准确，使系统的一些参数不是很理想，但本设计通过采用差模放大电路以及软件滤波，也得到了比较理想的结果。

参考文献：

[1]华成英童诗白主编《模拟电子技术基础》北京：

高等教育出版社2006.5[2]高吉祥主编，刘希顺刘菊荣编著《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》北京：

电子工业出版社2007.5[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M]北京：

电子工业出版社，2005[4]RaymondA.Mack,Jr.著，谢云祥译。

开关电源入门。

人民邮电出版社，2007-09