开关电源模块并联供电系统 2.docx
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开关电源模块并联供电系统2
2011年全国大学生电子设计竞赛
开关电源模块并联供电系统
(A题)
【本科组】
西安交通大学城市学院
卫廉王卫冯楠
2011年9月3日
摘要
本系统以BUCK降压斩波电路为核心,以SG3525为主控制器产生控制PWM信号,根据电压电流双闭环反馈信号对PWM信号做出调整,进行可靠的闭环控制,从而实现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在8.0V左右。
同时系统具有输出过流保护和输入欠压保护功能。
平均电流内环控制,最大电流限制,以及电流自动分配。
系统步进电流为0.5A,输出电压范围为7.6V-8.4V,输出电流为1A。
输出功率16W。
反馈信号控制芯片SG3525形成闭环反馈回路。
本系统具有调整速度快,精度高,控制性能稳定、电压调整率低,负载调整率低,效率高,无需另加辅助电源板,输出纹波小等特点。
关键词:
SG3525;开关电源;BUCK电路;电压电流双闭环控制
开关电源模块并联供电系统(A题)
【本科组】
1系统方案
本系统主要由开关电源主电路、反馈控制模块、驱动信号发生模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
图1系统总体框图
1.1DC-DC模块的论证与选择
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式虽然安全,但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的极大降低,而本题没有要求输入输出隔离,所以选择非隔离方式,具体有以下几种方案:
方案一:
降压斩波电路(BUCK)形式。
开关管Q受占空比为D的PWM波的控制,交替导通或截止,再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。
该电路属于降压型电路,达只要电感绕制合理,能达到题目要求的8V的输出电压,且输出电压Uo呈现连续平滑的特性,系统效率高。
方案二:
串并联开关电路(半桥)形式。
实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。
用电感的储能特性来实现升降压,电路控制复杂,需要两只开关管的驱动信号有一定延时防止短路。
同时由于电路中存在两个开关管,是损耗增加。
综合比较,基于本题需要降压,故选择方案一。
1.2反馈控制模块的论证与选择
方案一:
电压负反馈控制,电压负反馈控制简单,效果明显,但稳定性差,一旦反馈被破坏就会导致主电路不稳定。
而且本系统需要对两个DC-DC的输出电流进行控制,故电压反馈不适合本系统。
方案二:
电流负反馈控制,电流负反馈控制简单,在主电路中的低端通过电阻对电流转换电压信号反馈。
但稳定性差,只能稳流,对输出稳压效果不大。
故不采用此方案。
方案三:
电流电压双闭环反馈控制。
通过电压外环来控制电流内环,此方案控制较前两种稍显复杂,但系统稳定性十分出色,即稳压又稳流,十分适合本系统对电压电流的要求。
综合以上三种方案,选择方案三。
1.3驱动信号发生模块的论证与选择
方案一:
采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D采样后的反馈电压程控改变PWM信号的占空比,使输出电压稳定在设定值。
负载电流在主电路的低端的电阻上的取样经A/D后输入单片机,当该电压达到一定值时关闭开关管,形成过流保护。
该方案主要由软件实现,效率较高,但控制算法比较复杂,数据处理较复杂,输出电压稳定性不好,若想实现自动恢复,实现起来过于复杂。
方案二:
采用恒频脉宽调制控制器SG3525,此芯片输出级采用推挽电路,双信道输出,工作频率为100HZ--400KHz,还具有欠压切断、可编程软起动等特点。
每一信道的驱动电流最大值达500mA,灌电流可到达200mA。
能够直接驱动功率GTR和功率MOS管。
具有输入欠压锁定功能,死区时间可以调整,输出信号较灵活。
方案三:
采用TI的UC3842芯片,可以十分简单的组成峰值电流控制。
并且应该用广泛,但是由于峰值电流控制容易出现电流断续,但是功率管在占空比大于50%时,必须进行斜坡补偿,不能稳定工作,同时也可能产生次谐波振荡。
鉴于上面分析,选用方案二。
2系统理论分析与计算
2.1BUCK电路的分析
2.1.1电流的连续与断续模式
在BUCK电路中,电感电流存在两种模式,即电流连续和电流断续模式。
由于电感对电流上升率的限制,使得电感电流可能在一个开关周期内存在连续和断续两种模式。
在连续模式时,电感量要求比较大,开关电流的峰值比较低。
但是具有良好的EMI特性。
在断续模式下,主开关管的电流峰值会比较高,使得开关损耗加剧。
本方案采用平均电流控制,因此电流工作在连续电流模式下更为合适。
2.1.2MOSFET的驱动
MOSFET的驱动方式有多种,比较常用的是直接驱动,推挽驱动,光耦隔离驱动,
自举驱动和专用芯片驱动。
为了达到PWM驱动信号和功率电路没有电气连接或者开关管在高端时,需要采用隔离驱动。
在隔离驱动中,光耦驱动是最为常用的一种,因此我们采用光耦隔离驱动。
2.2相关参数的计算
2.2.1占空比D
(Vi-Vo)*Ton/L=Vo*Toff/L
D=Vo/Vi
D—占空比
2.2.2电感
dIL=(Vi-Vo)*Ton/L
dIL=0.2IL=0.2Ion
L=5(Vi-Vo)Vo*T/(Vi*Io)
IL_avg=Io
IL_peak=1.1Io
IL_rms=ILavg*(1+0.22/12)0.5
3电路设计
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
3.1.2主电路系统框图与电路原理图
1、主电路系统框图
图2主电路系统框图
3.1.3控制电路模块框图与电路原理图
图7是SG3525的内部原理图。
图7SG525内部原理图
图8PWM波发生器电路原理图
SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成脉宽调制控制器,由于它简单可靠及使用方便灵活,大大简化了控制电路的设计及调试,其内部结构见图6。
SG3525主要由以下几部分构成:
(1)参考调压器。
参考调压器输出电压为5.1V,且有短路保护。
它供给所有内部电路,同时又可作为外部基准参考电压;
(2)振荡器。
振荡器产生后沿较陡的锯齿波,改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率,即振荡器的振荡频率;(3)误差放大器及补偿输入。
误差放大器是差动输入的放大器;(4)PWM锁存器。
PWM锁存器接受比较器的输出信号,它有关闭电路和振荡器输出时间脉冲复位。
这样,当关闭电路动作,即使过流信号立即消失,锁存器也可维持一个周期的关闭控制,直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。
另外,由于PWM锁存器将比较器来的置位信号锁存,消除了系统所有的跳动和振荡信号,只有在下一个时钟周期才能重新复位,有利于提高可靠性,经过锁存器的输出为PWM;(5)输出。
ll、14脚能输出两路占空比相等,且相位相差180度的驱动信号,所以适合于用来实现对非隔离型三电平变换器的PWM控制。
此外,SG3525还有欠压锁定电路、闭锁控制电路。
4调试方案与测试结果
4.1调试方案
本系统调试分三个阶段:
主电路开环调试,电流内环负反馈控制,电压外环电流内环负反馈控制。
1、主电路开环调试:
断开电压外环,将电流的给定位恒定值,使得占空比保持不变。
从而产生稳定的输出电压,同时改变给定,可以改变占空比,进而改变输出电压的值。
2、电流内环负反馈控制:
在主电路的低侧串联电阻进行电流取样,电流信号经过调理后于给定电流信号做插并进行PID调节,PID调节的结果可以改变输出占空比,从而使得输出跟随给定信号。
达到了是输出电流保持不变的目的。
3、电压外环负反馈控制:
在电流内环的基础上,对输出电压进取样,同时将其与给定的电压信号的差进行PID调节,其结果作为电流内环的给定信号,电流的反馈信号将于这个给定信号做差后进行PID调节改变占空比,使得输出电压和电流可以跟随给定信号。
4.2测试条件与仪器
测试使用的仪器设备如表4.1所示。
表4-1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
数英TFG2006
2
DDS数字信号发生器
2
泰克TDS2002
1
数字双踪示波器
4.3测试结果及分析
4.3.1测试分析与结论
通过测试,可以得出以下结论:
1、电路拓扑结构简单,具有十分广泛的应用
2、BUCK电路可以十分高效的进行直流功率转换
3、在电流电压双环的控制下,使得输出可以承受大强度扰动。
5附件
5.1主要元器件清单:
SG3525;
TPS2812;
6N137;
IRF540;
电容470uF/50VX2220uF/50VX24.7uF/50V
电阻10欧/5W
IA2412KS-2W
LM311
NE5532
OP07
18V稳压管
TL431
高频磁芯
漆包线
滑动变阻器
其他电阻电容若干
6总结
经过四天三夜的辛勤努力,我们实现了题目的部分要求,由于时间紧,工作量大,系统还存在许多可以改进的地方,比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间,经过改进,相信性能还会有进一步的提升。
本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力,虽然我们遇到了很多困难和障碍,但总体上成功与挫折交替,困难与希望并存,我们将继续努力争取更大的进步。
7 参考文献
1 《模拟电子技术基础》主编:
杨栓科高等教育出版社,2003
2 《电力电子技术》主编:
浣喜明姚为正高等教育出版社,2004
8附录
8.1附件五:
核心原理图与PCB版图
由于开关电源的频率高,对外有干扰,并且本题指标要求高,抗干扰能力要求特别比较严格,所以我们选择了画PCB图,然后自行腐蚀,然后把线刻出,这样的话测试方便,抗干扰性能也好。
图9和图10分别是核心原理图和PCB版图。
图12主电路的PCB图