开关电源并联供电.docx
《开关电源并联供电.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源并联供电.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
开关电源并联供电
设
计
报
告
设计题目：
开关电源并联供电系统
设计者：
指导老师：
设计时间：
2013年8月22日
摘要：
系统以PIC16F877A单片机为控制核心，由LM2576HV-ADJ实现DC/DC功能，采用两个LM2576HV-ADJ模块级联实现2路并联供电，通过单片机PIC16F877A部10位高速电压输入型A/D转换器将模拟量电压转化成数字量，并通过8位串行数模转换器MCP41010将数字量转换成模拟量，实现2路输出电流的自动分配的数字化控制系统，同时系统具有输出过流保护功能，且可实现对输入电压、输出电压及输出电流的测量和检测。
关键词:
PIC16F877A，LM2576HV-ADJ，开关电源，并联供电
1.系统设计
1.1设计要求
1.1.1基本要求
（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压UO=5.0±0.4V。
（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%。
（3）调整负载电阻，保持输出电压UO=5.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=1.0A且按I1:
I2=1:
1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。
（4）调整负载电阻，保持输出电压UO=5.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=1.5A且按I1:
I2=1:
2模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。
1.1.2发挥部分
（1）调整负载电阻，保持输出电压UO=5.0±0.4V，使负载电流IO在1.5~3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.5~2.0A）围按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。
（2）调整负载电阻，保持输出电压UO=5.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=4.0A且按I1:
I2=1:
1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于2%。
（3）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。
（4）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有±0.2A的偏差）。
（5）其他。
1.2方案论证
1.2.1控制模块
方案一：
采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为系统的控制器。
89系列单片机算术运算功能强，软件编写灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
但89C51单片机外围资源少，指令多为双周期，抗干扰能力不强。
方案二:
采用PIC16F877A单片机作为系统控制器。
PIC单片机具有89C51单片机的上述优点。
PIC系列单片机指令系统设计精炼，且具有性能完善、功能强大、开发应用方便以及人机界面友好等突出优点，系统具有更高的性价比。
二者方案比较，采用方案二。
1.2.2DC/DC模块方案
方案一：
降压模块采用直流斩波电路中的Buck电路，该电路使用一个可控器件（如晶闸管、IGBT），并且包括该器件的控制电路。
方案二：
采用LM2576HV-ADJ降压单片开关稳压器芯片及简单的外围电路，它在规定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压可调且负载电流可达到3A。
由于本设计要求两个输出功率均为16W，输出电压为8V的DC/DC模块并联，考虑采用性价比较高的LM2576芯片，它的转换效率高于77%，应用时比较简单且外围元件较少，并且置的过流保护电路和过热保护电路，控制简单且成本较低，基于上述原因选择方案二。
1.2.3过流保护方案
方案一：
通过检测电路，把检测到的信号与设定值相比较，比较电路产生的输出信号使控制电路失效，逆变电源的输出或输入被切断，从而达到保护的目的。
方案二：
利用单片机编程，检测输出电流标志，当输出电流大于4.5A时通过软件给与LM2576第5脚连接的引脚高电平。
由于电源并联系统的硬件连接比较复杂，通过软件编程提供过流保护可以减轻硬件负担并充分利用了单片机的优越性，故选择方案二对电路进行过电流保护。
1.3系统设计框图
根据设计要求，系统模块需要包括PIC16F877A核心控制模块，DC/DC模块，D/A转换模块和人机对话等模块组成开关电源并联供电系统模块，系统结构框图可见图1-3。
图1-3系统结构框图
2.单元模块设计
2.1核心控制模块
2.1.1电路原理图
图2-1-1PIC16F877A
2.1.2工作原理
控制器主要是接受并判断各种检测电路的输出信号并输出相应的控制信号。
采用PIC16F877A单片机作为控制器，只要在单片机的外围引脚加上相应的人工复位电路、体震荡电路等即可。
具体电路如图2-1-1所示。
PIC16F877A部有多个专用功能模块：
串行通信捕捉/比较/脉宽调制模块、并行数据传送模块、A/D转换器（ADC）等模块。
共有33个I/O口，在本最小系统板中I/O口分配如下：
RA口用于A/D采集；RB、RE口用作数码管显示位的选择；RC口用于D/A转换；RD口用于按键和显示分时复用。
本电路由RC2、RC3、RC4这五个I/O口去控制两个数字电位器MCP41010，使它输出不同的电位值，由RC3控制MCP41010的时钟信号SCK，由RC2控制MCP41010的SI，由RC4控制MCP41010的片选信号CS’。
由AN0、AN1、AN2为A/D采样的输入口。
最后通过单片机部程序实现液晶屏显示电流值。
2.2D/A转换模块
2.2.1电路原理图
图2-2-1D/A转换模块
2.2.2工作原理
MCP41010为数字电位器，它在单一芯片上集成一个10kΩ数字电位器，电位器的滑动端共有256个离散的调节节点。
Pb0、Pa0为数字电位器的固定端，Pw0为中心抽头。
Pw0随着软件设定的数值变化而改变，SCK为数字电位器SPI接口的时钟引脚，时钟上升沿数据输入，下降沿数据输出，命令字节和数据字节均从SI引脚输入，送入的数据仅当CS’从低变到高时才被执行，电阻阵列的中间抽头才能移动到设定位置.通过程序送数控制电阻阵列的中间抽头移动到不同的位置,使数字电位器输出电压随着电阻改变而改变。
数字电位器输出端接一电压跟随器增强带载能力，避免了外接电阻对数字电位器阻的影。
MCP41010的输出电压
（D为步进数取值为0—255）。
本模块串入DC/DC转换模块中，充当LM2576-ADJ的四脚FEEDBACK的R2电阻一部分，起微调作用，控制输出电压以改变输出电流，实现电流IO在0.1~3.5A围变化。
2.3DC/DC模块
2.3.1电路原理图
图2-3-1DC/DC模块
2.3.2工作原理
DC/DC模块电路主要采用开关稳压器LM2576-ADJ芯片，并辅以电感，电容，电阻等辅助器件构成，如图2-3-1所示。
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
本次选用LM2576-ADJ，即电压档可调。
本电路是电压可调节电路，VOUT=VREF（1+R2/R1）
R2=R1（VOUT/VREF-1）
其中R2包括图2-3-1中R2，RW1和MCP41010程序可调节电阻。
VREF=1.23V,R1在1.0KΩ和5.0KΩ之间。
LM2576-ADJ的5脚ON/OFF端是芯片使能端，低电平有效。
当最大输出电流超过设计要求电流时，由单片机部判断并控制引脚ON/OFF，起过流保护作用。
2.3.3参数选择
降压开关稳压器：
LM2576-ADJ输入电压围为4.75~60V，转换效率高于77%；在规定的输入电压和输出负载的条件下，LM2576输出电压的误差围为±4％；负载电流可以达到3A，满足设计要求，故选用LM2576-ADJ。
电感：
电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压·微秒常数（E·T）：
E·T=（Vin-Vout）×Vout/Vin×1000/f
（1）
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、f是LM2576的工作振荡频率值（52kHz）。
E·T确定之后，就可参照参考文献所提供的相应的电压·微秒常数和负载电流曲线来查找所需的电感值了。
本电路采用100uH。
电容：
该电路中的输入电容E1一般应大于或等于100μF，本电路采用1000μF/35V。
安装时要求尽量靠近LM2576的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。
而输出电容E2的值应依据下式进行计算（单位μF）：
C≥1.33Vin/Vout×L
（2）
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、L是经计算并查表选出的电感L1的值，其单位是μH。
电容C耐压值应大于额定输出电压的1.5～2倍。
对于8V电压输出而言，推荐使用耐压值为25V的电容器。
本电路取470uH/35V。
二极管：
二极管D1的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。
二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。
参考文献中推荐使用1N582x系列的肖特基二极管。
本电路采用IN5822。
2.4采样电路
2.4.1电路原理图
图2-4-1采样电路
2.4.2工作原理
图2-4-1为采样电路，流过负载电阻的电流I=I1+I2，电流不能超过4A。
LM324A与LM324C电路相同为同相比例放大，
最大电流取2A，UAD1=3.4V，在芯片阈值电压围。
LM324B电路为差分比例放大电路，取R8=R9,
。
2.4.3参数选择
运放芯片：
因为电流最大为4.5A，功率电阻为0.1Ω，则电压为4.5V<5V；且用到3个运放电路，则LM324满足要求。
3.软件设计
3.1.软件开发平台、开发工具
软件部分采用PIC16F877A单片机描述语言编写，PIC单片机采用精简指令集，共有35条指令，除条件跳转指令外其余均为单字节指令，本设计采用的时钟晶振为4MHZ,故每条指令周期为1us。
哈佛结构，二级流水线取指令方式，具有开发容易，周期短，高速，低攻耗，且功能强的特点，给阅读和使用都带来了极大的方便。
同时我们还利用PIC单片机专用在线调试工具MPLABPIK3，把程序烧写如PIC16F877A芯片中，使得软件与硬件结合起来，使用方便。
3.2程序流程图
主流程图
子流程图
3.系统测试
本供电系统由两路降压电源模块并联而成，能够实现为负载提供较大输出功率的功能，并能在保持输出电压的情况下自动控制使两并联模块按固定模式分配电流。
测试时要求只可以手动调整负载电阻，采用数字万用表的电压档、电流档及欧姆档分别测出各项参数。
比例
输入电压V
输入电流
A
输出电压
V
输出电流A
效率
%
I1
A
I2
A
I3
A
1:
1
24
0.24
4.95
0.85
73.04
0.41
0.41
0.93
24
0.35
4.57
1
54.40
0.5
0.5
1.11
24
0.09
4.74
0.29
63.64
0.15
0.14
0.3
24
0.14
4.68
0.5
69.64
0.24
0.23
0.52
24
0.79
4.33
2.14
49.50
1.04
1.07
2.36
1:
2
24
0.45
4.56
1.3
54.89
0.61
0.61
1.42
24
0.54
4.52
1.46
50.92
0.46
0.97
1.53
24
0.34
4.58
1.04
57.81
0.63
0.33
1.12
输入电压不变，保持输出电压Uo=5.0±0.4V情况下，调整负载使两个模块输出电流之和IO=1.0A且按I1:
I2=1:
1模式自动分配电流，输入电压不变，由上表可知基本满足要求，但效率不达标。
输入电压不变，保持输出电压Uo=5.0±0.4V情况下，调整负载使两个模块输出电流之和IO=1.5A且按I1:
I2=1:
2模式自动分配电流，输入电压不变，由上表可知基本满足要求，但效率稍微低于设计要求。
5.结论
由LM2576-ADJ及其外围电路提供DC/DC降压模块是本系统的基本组成部分，并联供电系统将两模块级联，利用部具有10位A/D转换器的MCP41010单片机和串行的10位部数模转换器实现对检测点电压模拟量和数字量之间的转换；由单片机软件编程实现电源并联均流的数字化控制。
本文设计系统工作稳定，解决了均流精度与控制结构复杂度之间的矛盾，且具有较高的工作效率。
但在实际操作中，收到环境、器件或仪器的干扰，经过多次调试才得采样结果，本设计基本满足设计基本要求，但效率达不到60%。
6.参考文献
[1]路秋生.开关电源技术与典型应用.[M]：
电子工业，2009.3
[2]晶.Prote199高级应用.[M]：
人民邮电，2000
[3]广林.新型电源集成电路应用手册.[M]：
电子工业，2006
[4]邓雷.任稷林.王杰.数字控制技术在直流电源并联均流中的应用.[J]空军雷达学院报2010.2
[5]梅丽凤.王艳秋.汪毓铎.任国臣.单片机原理及接口技术.[M].清华大学,2009.4
7.附录
7.1仪器设备
序号
仪器名称及型号
数量
1
GDM－8135台式数字万用表
1
2
直流电源
1
7.2器件明细表
序号
名称
型号及规格
数量
备注
1
D/A转换器
MCP41010
2
2
开关稳压器
LM2576
2
3
二极管
IN5882
4
4
电感
100uH
2
5
功率电阻
0.1Ω
3
6
运放
LM324
1
7
电解电容
1000uF/35V
2
470uF/25V
8
瓷片电容
104
4
9
滑动电阻
10K
2
1K
2
7.3电路原理图
7.4PCB设计图
7.5程序清单
升级会员 