电子设计竞赛设计报告A题.docx

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电子设计竞赛设计报告A题

2011年全国大学生电子设计竞赛

设计报告

开关电源模块并联供电系统（A题）

2011年全国大学生电子设计竞赛设计报告

开关电源模块并联供电系统（A题）

摘要

本次设计的开关电源模块并联供电系统由两个LM2596进行DC/DC变换，用8051单片机作主控芯片。

输入DC24V，输出DC8.0V，额定输出功率为32W，采用对等互补均流方式进行电流自动分配输出，具有过流和短路保护功能，系统转换效率达到70%以上。

关键词：

DC/DC变换，并联供电系统，开关电源

Abstract

ThedesignoftheswitchingpowersupplymoduleconsistsoftwoLM2596inparallelpowersupplysystemforDC/DCconverter,with8051asmainchip.InputDC24V,outputDC8.0V,theratedoutputpowerof32W,theapplicationofthecomplementarystreamareautomaticallyassignedtothecurrentoutput,withover-currentandshortcircuitprotection,systemconversionefficiencyof70%.

Keywords:

DC/DCconverter,parallelpowersupplysystems,power

1方案论证与比较

方案一恒流控制法

图1恒流控制示意图

系统由第二个LM2596接收到10K的电位器的反馈电压，实现恒流输出，不足的功率由第一个LM2596互补输出，实现电流分配。

优点：

电路简单，稳定。

缺点：

电流比例不稳定。

结论：

只能完成基本部份，方案不可取。

方案二外部电路控制法

采用两个DC/DC电源模块组成，在每一个输出模块加一个电流检测电路，产生反馈信号来调节每个模块的电流，从而达到均流的目的，该方案均流效果好，但是每个单元需附加一个电流控制电路，成为控制环路的一部分，需满足环路的总体要求，否则会降低单元的技术指标及工作稳定性，降低系统的动态响应特性。

优点：

均流效果好。

缺点：

电路复杂，稳定性较差。

结论：

从稳定性上考虑，方案不可取。

方案三对等互补分流法

系统由恒压输出模块和电流互补模块组成，让两个模块的输出电流分别流经两个0.1Ω水泥电阻，然后采样水泥电阻两端的电压，经过运算放大器放大电压后，使用A/D模块（ADC0804）将模拟信号转换为数字信号传输给单片机，经过单片机运算后转换成电流，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来反馈给电流互补模块来实现电流互补，并按比例输出。

优点：

输出稳定，代码执行效率高，调试简单，能够进行电流自动分配。

缺点：

电路复杂，运放放大器需要负电压供电。

结论：

综合考虑，该方案能实现题目要求，方案可行。

2系统设计与分析

2.1总体框架分析

图2总体原理框图

2.2单元电路设计

2.2.1降压电路设计

降压电路部分采用LM2596芯片实现，为后续电路工作提供所需的电源。

如图3所示。

LM2596具有很好的线性和负载调节特性。

由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，极大地简化了开关电源电路的设计。

而且具有自我保护电路，输出电压在1.2V~37V可调，输出电流可高达3A，输入电压可达40V。

本系统中LM2596输入DC24V电源，输出

≈8.0V（

=1.23V）

图3LM2596降压电路示意图

2.2.2采样放大电路设计

让两个DC/DC模块的输出电流分别流经两个0.1Ω水泥电阻，然后采样水泥电阻两端的电压，经过运算放大器放大，实现电压采样。

2.2.3A/D转换模块设计

A/D转换模块使用ADC0804实现，ADC0804从采样电路得到信号后将其转换为数字信号并提供给51单片。

图4ADC0804数据转换电路示意图

2.2.4控制模块设计

控制部分使用51单片与CD4066结合实现电路的自动控制。

51单片接受到来自ADC0804的信号后，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来反馈给电流互补模块来实现电流互补，并按比例输出。

详细控制图见系统总原理图。

2.2.5负电压产生电路设计

负电压产生电路使用LM2596完成，产生一个-5V电源给运算放大器供电。

3理论分析与计算

3.1DC/DC变换器稳压

DC/DC变换器稳压模块选用的芯片是LM2596，它是一款降压型开关电源芯片，内部集成PWM控制电路，通过接收到第四引脚的反馈来调节占空比，输出端由电感和电容虑波，从而输出稳定的DC-8V电源。

3.2电流电压检测

电流检测是由电流经过0.1欧的水泥时电阻两端产生的压降△U=I*0.1，然后再经过运放来进行放大20倍，最后经过电压跟随器出来的电压虑波后输给AD0804读取电流值。

3.3均流方法

ADC0804将模拟信号转换为数字信号并传输给单片机，经单片机运算后转换成电流，单片机根据收到的两个模块输出电流之和来判断输出电流之比，再通过电子开关控制运放来实现电流调节，实现按比例输出，在电流1A以下，可自动调整为1:

1电流输出；在1A~1.5A之间实现1:

2电流输出；在1.5A~3A之间，可以手动调节使电路输出电流为任意比；在3.5A~4.5A时，在控制下自动恢复到自动控制模式，并以1:

1输出电流；当电流大于4.5A时，单片会控制相应开关断开电路，起到自动过流保护。

3.4过流保护

过流保护以51单片为核心，通过采样输出电流给A/D变换电路，然后将变换得到的数据传输给51单片，由51单片计算、判断输出电流的值，若大于4.5A则给LM2596的EN端一个高电平信号，使其停止输出，达到过流保护的目的，当系统检测到电流小于4.5A时恢复输出。

如图5所示。

图5过流保护原理图

4软件设计

程序流程图如图5所示。

图5程序流程图

5系统测试

5.1测试仪器

测试使用的仪器设备如表1所示。

表1测试使用仪器与设备

序号

仪器名称

主要技术指标

直流可调稳压电源

0V-30V

数字万用表

3位半

指针万用表

500mA

5.2测试方法

接入负载（变阻箱）后接通电源，调节负载至需要阻值，用万用表测试输入电流、电压与输出电流、电压，并计算系统效率，具体数值见测试数据。

5.3测试数据

a.基本要求：

（1）调整负载电阻在2欧姆，输出总电流是4A，I1=2A,I2=2A

U0（V）

标准

△U0（V）

7.8

8.0V

0.2

（2）效率测量

输入电压（V）

输入电流（A）

输出电压（V）

输出电流（A）

效率

1.81

7.8

71.82%

（3）调整负载，输出电流总和I0=1.0A

标准U0

△U0

8.04V

0.04V

标准I1

|△I1/500mA|

498mA

500mA

0.4%

标准I2

|△I2/500mA|

508mA

500mA

1.6%

（4）调整负载，输出电流总和I0=1.5A

标准U0

△U0

7.88V

0.02V

标准I1

|△I1/500mA|

496mA

500mA

0.8%

标准I2

|△I2/1000mA|

1009mA

1000mA

0.9%

b.发挥部分

（1）调整负载电阻，输出电压U0=8.0±0.4V

I0（A）

I1:

I1（A）

|△I1/I1|

I2（A）

|△I2/I2|

理论值

实测值

理论值

实测值

1.5

0.5

2.0

1.5

0.8

1.2

1.18

1.6%

2.5

1.25

3.0

1.5:

1.8

1.79

0.5%

1.2

1.19

0.8%

3.5

2.33

1.17

1.15

1.7%

（2）调整负载电阻，输出电压U0=8.0±0.4V，I0=4.0A

I1（A）

|△I1/2A|

I2（A）

|△I2/2A|

1.98

2.01

0.5%

（4）调整负载电流至电路停止工作。

阈值电流

|阈值电流-4.5A|

4.5A

6结论

本系统能较好的完成基本部分和发挥部分，输出电压8V，均流效果好，误差在±1.7%以内，工作状态稳定，过流及短路保护准确，具有过热保护功能，转换效率达71.82%。

参考文献

[1]杨素行，《模拟电子技术基础简明教程》，第三版，高等教育出版社，2006年出版。

[2]何希才，《常用集成电路应用实例》，第一版，电子工业出版社，2007年第一次印刷。

[3]全国大学生电子设计竞赛组委会，《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编2005》，第一版，北京理工大学出版社，2007年第一次印刷。

[4]黄智伟，王彦，陈文光，《全国大学生电子设计竞赛训练教程电子》，电子工业出版社，2005。

[5]黄继昌，乔苏文，张海贵，《电源专用集成电路及其应用》，人民邮电出版社，2006。

附录

系统总原理图

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