专业3D摄影设备电源管理系统.docx

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专业3D摄影设备电源管理系统

本科学生毕业设计

专业3D摄影设备电源管理系统

分析与设计

系部名称：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

黑龙江工程学院

二○一二年六月

TheGraduationThesisforBachelor'sDegree

AnalysisandDesignofPowerManagementSystemforProfessional3DPhotographicEquipment

Candidate：

Specialty：

Class：

Supervisor：

HeilongjiangInstituteofTechnology

2012-06·Harbin

摘要

本设计首先分析了3D摄影设备供电需求，并在此基础上设计了专业3D摄影设备电源管理系统。

该系统以新唐公司32位ARMCortexM0系列处理器M0516LAN为核心，结合开关电源技术，基于性能优良的锂电池充电芯片，设计完成3D摄影设备的电池与电源管理系统，包括锂离子充电器、锂离子电池组管理系统、DC/DC转换器以及LDO的设计和验证等。

将这些子模块由M0516LAN集中控制，同时完成对锂离子电池组进行充电和保护、智能化控制与电源管理解决方案，这种方案会因为集成度高，应用复杂度低，因此控制更方便，同时具有低功耗、电源转换效率高、低电磁干扰等特点。

关键词：

3D摄影设备；M0516LAN；开关电源；电源管理；锂电池

ABSTRACT

Thedesigndesignsprofessional3Dphotographyequipmentpowermanagementsystembasedontheanalysisofthe3Dphotographicequipmentsupplyrequirements.Thesystemcombineswithaswitchingpowersupplytechnologyandusestheexcellentperformanceoflithiumbatteries,inwhichM0516LANinseriesofNuMicro32bitARMCortexM0actsasthecore.Itincludeslithium-ioncharger,lithium-ionbatterymanagementsystem,DC/DCconverterandthedesignofLDO.Thesesub-modulesiscontrolledbyM0516LAN，whilecompletingthechargeandprotectionoflithium-ionbatterypack,controllingintelligentlyandfinishingpowermanagementsolutions.suchaprogramisconvenientforcontrollingbecauseofhighintegration,lowcomplexityofapplication,andhassomecharacteristicssuchaslow-power,highefficiencyinpowerconversion,lowelectromagneticinterference.

Keywords:

3DPhotographyEquipment；M0516LAN；SwitchingPowerSupply；PowerManagement；LithiumBattery

目录

摘要I

AbstractII

第1章引言1

1.1课题研究的目的和意义1

1.2国内外的研究现状1

1.33D摄影设备电源管理系统设计要求3

1.4设计说明的组织结构4

第2章电源管理系统工作原理5

2.1开关电源的基本构成5

2.2开关电源的拓扑结构分析5

2.2.1降压斩波电路5

2.2.2升压斩波电路6

2.2.3升降压斩波电路7

2.2.4正激电路8

2.2.5反激电路10

2.2.6推挽电路11

2.3DC-DC中电感的选择11

2.3.1电感的功能11

2.3.2电感的磁芯饱和度13

2.3.3开关电源电感的选择14

2.4本章小结16

第3章总体方案的论证与设计17

3.13D摄影设备电源管理17

3.1.1电源管理的定义与分类比较17

3.1.2设计研究的相关背景19

3.2专业3D摄影设备电源系统需求分析及总体设计19

3.2.1专业3D摄影设备系统功能19

3.2.23D摄影设备电源系统需求分析20

3.2.33D设备电源管理系统方案的论证与总体设计21

3.3本章小结23

第4章电源管理系统的硬件设计24

4.1锂离子电池充电电路设计24

4.2供电输入切换电路设计25

4.3电源变换模块电路设计26

4.3.1伺服电机控制芯片STM32的供电——3.3V/1A26

4.3.2NuMicroM0516单片机为核心处理器的供电——5V/1A29

4.3.32D/3D监视器及摄影机的供电——8、12V/3A30

3.3.4小型伺服电机的供电——24V/3A33

4.4电池电量检测报警电路设计36

4.5本章小结37

第5章电源管理系统的软件设计38

5.1电池电量检测的软件设计思路38

5.2电量检测系统软件流程图38

5.3本章小结40

结束语41

参考文献42

致谢43

附录44

第1章引言

1.1课题研究的目的和意义

随着集成电路技术的飞跃发展，伴随而来的是便携式产品的蓬勃出现，如：

手机、MP3随声听、数码相机、摄影机、PDA、笔记本电脑等。

这些便携式设备的共同特点就是都需要依靠电池来提供电源，一般常见的有锂氢（1ithium-ion）电池、干电池、碱性电池等，但其电压各不相同。

众所周知，这些电子产品内部电路工作电压并非都与电池电压相同，因此必须靠直流一直流转换器来提供所需要控制电压。

电源管理市场正在世界范围特别是中国国内快速成长，权威机构预测，2006-2010年中国电源管理市场规模复合增长率将达28.8％．市场仍然将保持快速发展的态势，电源管理产品仍将是电子产品中最为活跃的产品之一[1]。

3D摄影设备由于其专业性以及昂贵的价格，并不为许多人所熟知。

但随着2010年3D电影《阿凡达》上映之后，全球便掀起了一股3D狂潮。

基于良好的经济效益和庞大的市场需求，国内外各大电影厂商也纷纷加入到了3D电影的拍摄行列。

由于此前大部分人对3D摄影并不熟悉，而3D摄影设备比传统的摄影设备要复杂的多，每一套专业的3D摄影设备需要由电影级设备专用锂电池、电源管理转换器、2D/3D监视器、双机自动同步跟焦器、双机位置自动调整器、摄影机、麦克风等设备构成。

每个不同设备的供电电压与电流都是不同的，目前市面上专业3D摄影设备电源管理系统还未曾出现，因此研究如何高效的将15V/13Ah的电影级设备专用锂电池转换成适合各个不同设备所需要的供电系统具有很重要的现实意义。

1.2国内外的研究现状

专业的3D摄影很多时候都在户外进行，因此电影级的大容量锂离子聚合物电池就要担负起整套拍摄系统的供电任务，然而绝大多数的专用电池均为15V，但整套3D拍摄系统却有着不同工作电压与电流的众多设备，那么为了能够满足整套3D拍摄系统的供电需求，并且为了电池所能承担的拍摄时间更长，高效的开关电源则成为了整套3D摄影供电系统的最佳选择。

开关电源的原理已经应用100多年，起初它主要应用于汽油发动机的点火系统，之后应用于电视机。

但是最初的电子设备都是用线性电源供电。

直到20世纪60年代末，开关电源的三大主要元件（磁性元件、开关器件和整流器）的发展改变了开关电源的使用少的局面，开关电源开始被广泛应用。

80年代开始，各种类型元件的发展促使开关电源进入高速发展时期，从此在很多领域，开关电源因其比传统线性电源体积小、重量轻逐渐代替了线性电源给电子设备供电。

同时，三端线性调整器也促进了线性稳压电源的发展，使其在某些领域继续运用[2]。

最早出现的开关电源是串联型的，其主电路拓扑与线性电源相仿，于此不同的是开关电源的晶体管工作在开关状态。

1975年美国SiliconGeneral公司开发第一款集成PWM控制器，打开了几代开关调节器和开关模式电源发展的大门。

PWM开关电源效率可达65-70％，而当时线性电源的效率只有30-40％，在发生世界性能源危机的年代，用工作频率为20KHz的PWM开关电源代替线性电源，可大幅度节省能源，从而引起人们的广泛关注，在电源技术发展史土被誉为20KHz革命[3]。

随着技术的不断发展，PWM模式的DC/DC转换器可以在全负载内获得很高的转换效率，但是在轻载时损耗相对很大，效率与线性电源相比并不具有优势，而PFM模式在轻载时有很高的转换效率。

因此在90年代开始，一般商用的DC/DC转换器采用适当的控制策略，使得重载时转换器工作在PWM模式下，轻载时转换器工作在PFM模式下，大大降低系统的功耗，提高系统电源效率[5][6]。

开关电源技术发展到今天，DC/DC转换器的效率可以达到90%以上，Sipex公递的降压型DC/DC的转换效率甚至离达98%[7]。

最初对电子设备的控制是通过直接连接/断开电源来实现的，这样对于一个系统来说，对各个部分的供电只能同时进行，不能对模块进行单独控制。

随着电源技术的发展，可以通过信号的高低电平来控制电源芯片的使能/关断，由此可以自由的对系统的各个部分电路的供电进行单独的开关控制，而且还可以通过一定的软件设置来控制给不同电路供电的不同上电顺序。

随着手机、PDA、数码相机和mp3等以电池供电的便携式设备功能的日益多样化，电源管理已经成为越来越重要的设计挑战。

便携式产品有限的PCB空间，以及丰富功能带来的多电压需求，促使人们不断追求集成化方案，PMU（电源管理单元）便是全面满足这一应用要求的电源管理IC。

PMU将传统分立的多个电源管理器件集成在单个的封装中，以其易用性和高集成度受到越来越多的厂商青睐。

对于电源管理芯片来说，可以集成到单芯片的功能除了DC/DC外，ChangePump，LDO，电压比较器，热插拔控制器，电量检测，PowerPath等功能都可以集成到一个单一的芯片中去。

NSC、Freescale、TI、NXP等公司都推出了针对具体应用的高集成度PMU。

在便携式设备中采用PMU可以简化设计，节省成本。

因为要优化系统的功耗必须对各个功能模块的供电进行单独控制，如果采用分立器件则需较多的GPIO来分别控制他们，而采用PMU则可以通过I2C或其他简单串行通信方式来控制各路电源的开关。

另外很多处理器对上电时序有严格要求，这样通常需要一个小的MCU去控制各分立器件来实现上电时序；而大部分PMU可提供处理器所需的上电时序，无需额外增加MCU。

借助于PMU的这些特点，使用PMU在简化设计的同时还可节省成本。

同时，PMU的集成度高，还可以节省PCB空间，简化PCB设计。

1.33D摄影设备电源管理系统设计要求

本设计旨在分析和设计专业3D摄影设备的电源管理系统，该系统可为所有3D摄影设备提供正确的工作电能。

该系统的设计将结合目前电源管理芯片以及开关电源技术，做到对电影级设备15V锂电池的高效能量转换，延长其使用时间，保证3D摄影的更好的进行。

该设计预期目标：

1．输出：

3.3V/1A，5V/1A，8V/3A，12V/3A，24V/3A；

2．高效率：

75%-90%；

3．低纹波：

≤50mV；

4．低EMI：

符合GT3/T13926国标；

由于新兴的3D摄影设备，整个系统所需的电压数值类型多、部分电流较大，因此并没有专用的电源管理系统的芯片。

通过对国内外的电源管理系统的研究，鉴于最新的PMU技术，本设计将利用PMU中将传统分立的多个电源管理器件、ChangePump、LDO、电量检测等集成在单个的封装中的思想，设计一个非集成的电源管理系统，系统将由多个电源转换器件、充电模块、电量检测以及供电切换等多个模块通过合理的组合，最后由一个核心控制单片机来集中控制。

由于受尺寸成本的限制，在着手设计电源转换电路之前已经确定了电池的节数和电池种类。

另一方面，3D摄影系统所需电源日趋复杂，从2D/3D监视器、双机自动同步跟焦器、双机位置自动调整器、摄影机、麦克风、处理器、存储器、USB扩展接口到LCD偏压或显示背光电路，要求的电源从低至3.3V到高达24V。

电源转换器的任务旦趋繁重。

在决定采用LDO、电感式DC/DC还是电荷泵DC/DC来完成电源转换方面，便携式应用的设计者要综合考虑许多因素——总成本、效率、集成度、设计灵活性和封装，并作出折衷选择。

从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑这样几个问题：

1．电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑；

2．便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题；

3．选用电源管理芯片力求高集成度、离可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命；

4．选用具有新技术的新产晶电源芯片将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。

1.4设计说明的组织结构

本设计主要对便携式设备的电源管理进行分析和研究，并对实际的便携式系统进

行电源管理的设计、实现和相关性能分析。

第2章电源管理系统的工作原理，介绍了开关电源的基本构成以及多种常见的电路拓扑结构。

同时介绍了开关电源中的电感的计算与选择。

第3章对通过对主流电源转换技术的比较与论证，提出设计的总体方案，以及硬件和软件的各自方案与相互的配合工作方式。

第3章分别对3D摄影设备电源管理系统的硬件各个模块进讲述，其中包括对元件的选择计算、方案的论证、电路的仿真。

第4章对电源管理系统的软件设计，其中有软件设计思路、软件执行流程以及控制效果。

第2章电源管理系统工作原理

2.1开关电源的基本构成

开关电源电路的基本结构，它包括整流滤波电路，DC-DC控制器，开关占空比控制器及取样比较电路等模块。

如图2.1所示。

图2.1开关电源电路基本结构

2.2开关电源的拓扑结构分析

作为电源设计的核心组件,可靠性升级的基础,轻薄小型化的关键,电磁兼容性的保障的DC-DC直流变换电路,引导着开关电源设计的方向,从本质上来说绝大部分开关控制器都具有常规的几种拓扑结构。

其有两种基本的类型：

非隔离型和隔离型。

2.2.1降压斩波电路

降压斩波电路（BuckChopper）的原理图及工作波形如图2-2所示。

改电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，也可使用其他器件。

图2-2中，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可托同直流电动机或者带动蓄电池负载等。

如图2.2b中V的栅射电源uGE波形所示，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

当t=t1时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压u0近似为零，负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小，通常使串联的电感L值较大。

至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。

当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图2.2b所示。

负载电压的平均值为

（2.1）

式中，tON为V处于通态的时间；tOFF为V处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。

由式（2.1）可知，输出到负载的电压平均值UO最大为E，减小占空比α，UO随之减小。

因此将该电路称为降压斩波电路，又称buck变换器（BuckConverter）。

（a）电路图（b）波形

图2-2降压斩波电路原理及其工作波形

2.2.2升压斩波电路

升压斩波电路（BoostChopper）的原理图及工作波形如图2.3所示。

该电路中也是使用一个全控型器件。

假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。

当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。

因C值很大，基本保持输出电压uO为恒定值，记为Uo。

设V处于通态的时间为tON，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1tON。

当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。

设V处于断态的时间为Toff,则在此期间电感L释放的能量为（Uo-E）I1Toff。

当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

（2.2）

化简得

（2.3）

式中，

，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路，又称boost变换器（BoostConverter）。

（a）电路图（b）波形

图2.3升压斩波电路的原理图及工作波形

2.2.3升降压斩波电路

升降压斩波电路（Buck-BoostChopper）的原理图如图2.4a所示。

设电路中电感L值很大，电容C值也很大。

使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒定值。

该电路的基本工资原理是：

当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其储存能量，此时电流为i1，方向如图2.4a所示。

同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。

此后，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，与前面介绍的降压斩波电流和升压斩波电流情况正好相反，因此该电路也称作反极性斩波电路。

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间积分为零，即

（2.4）

当V处于同态期间，

;而当V处于断态期间，

。

于是

（2.5）

所以输出电压为

（2.6）

改变占空比α，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

当

时为降压，当

时为升压，因此将该电路成为升降压斩波电路，又称buck-boost变换器。

图2.4b给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够时，有

（2.7）

由上式可得

（2.8）

如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则

（2.9）

其输出功率和输入功率相等，可看做直流变压器。

（a）电路图（b）波形

图2.4升降压斩波电路原理图及其波形

2.2.4正激电路

正激（Forward）电路包含多种不同的拓扑，典型的开关正激电路原理及其工作波形如图2.5所示。

电路的工作过程为：

开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组W2两端的电压也是上正下负。

因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断，L的电流逐渐下降。

S关断后变压器的励磁电流经绕组W3和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为

，（N为绕组匝数）。

（a）电路图（b）波形

图2.5典型的开关正激电路原理及其工作波形

开关S开通后，变压器的励磁电流由零开始，随着时间的增加而线性地增长，知道S关断。

S关断后到下一次在开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回零，否则下一个开关周期中，励磁电流将在本周期结束时的剩余值基础上继续增加，并在以后的开关周期中一次累积起来，变得越来越大，从而导致变压器的励磁电感饱和。

励磁电感饱和后，励磁电流会更加迅速的增长，最终损坏电路中的开关元件。

因此在S关断后使励磁电流降回零时非常重要的，这一过程称为变压器的磁心复位。

磁心复位过程各物理量的变化如图2.6所示。

图2.6磁心复位过程

在正激电路中，变压器绕组W3和二极管VD3组成复位电路。

开关S关断后，变压器励磁电流通过绕组W3和VD3流回电源，并组建线性地下降为零。

从S关断到绕组W3的电流下降到零所需的时间trst见式（2.10）。

S处于断态的时间必须大于trst，以保证S下次开通前励磁电流能够降为零，使变压器磁心可靠复位。

（2.10）

在输出滤波电感电流连续的情况下，即S开通时电感L的电流不为零，输出电压与输入电压的比为

（2.11）

如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（2.11）的计算值，并随着负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，

。

2.2.5反激电路

同正激电路不同，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。

电路原理及其工作波形如图2.7所示。

S开通后，VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和VD向输出端释放。

S关断后的电压为

。

反激电路可以工作在电流断续和电流连续两种模式：

1．如果当S开通时，绕组W2中的电流尚未降到零，则称电路工作于电流连续模式。

2．如果S开通前，绕组W2中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断续模式。

当工作于电流连续模式时

（2.12）

当电路工作在断续模式时，输出电压高于式（2.12）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限条件下，

，这将损坏电路中的元件，因此反激电路不应工作于负载开路状态。

图2.7反激电路原理图及其波形

2.2.6推挽电路

推挽电路原理图及其波形如图2.8所示。

推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压。

S1导通时，二极管VD1处于导通状态，S2导通时，二极管VD2处于导通状态，当两个开关都关断是，VD1和VD2都处于导通状态，各分担一半的电流。

S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。

S1和S2断态时承受的峰值电感均为两倍Ui。

如果S1和S2同时导通，就相当于变压器一次绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。

当滤波电感L的电流连续时

（2.13）

如果输出电感电流不连续，输出电感Uo将高于式（2.13）的计算值，并随负载减小而上高，在负载为零的极限情况下，

。

图2.8推挽电路原理图

2.3DC-DC中电感的选择

在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。

工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。

本文专注于解释：

电感上的DC电流效应。

这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

2.3.1电感的功能

电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L（C是其中的输出电容）。

虽然这样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。

在降压转换中（Fairchild典型的开关控制器），电感的一端是连接到DC输出电压。

另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。

如图2.9所示。

图2.9电源电感快感状态示意图

在状态1过程中，电感会通过（高边“high-side”）MOSFET连接到输入电压。

在状态2过程中，电感连接到GND。

由于使用了这类的控制器，可以采用两种方式实现电感接地：

通过二极管接地或通过（低边“low-side”）MOSFET接地。

如果是后一种方式，转换器就称为“同步（synchronus）”方式。

现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的