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2011全国大赛A题开关电源模块并联供电系统2]


开关电源模块并联供电系统 2011----A 题

指导老师:时斌 孙其昌 队员: 08 级 张林 08 级 宋杰 09 级 汲建玲 学校: 南京师范大学 学院: 中北学院
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摘要:本文介绍了直流均流源的原理,设计思路及方法,整 个系统以 MSP430 单片机为控制器,控制均流,采用开关电 源芯片 LM2576 为电源芯片。通过独立键盘控制电源电压的 输出,其操作方便简单。两路电源能够在外接负载变化的情 况下自动均流,整个系统具有电路简单,输出电压范围大, 精度高, 稳定可靠的特点, 并具有过流保护及自动恢复功能, 很好的达到了题目的各项要求。 关键词: 均流源 MSP430 LM2576 自动均流

Abstract :

A DC current source was introduced in this paper . In

this article we introduce a theory of a DC current source and how to design .The system is made up of MSP430 which play a role of microcontroller , and LM2576 as Power chip .the system is perfect in large output voltage range ,high precision ,high stability and in current-liminting and auto-resume .

Keywords: current source MSP430 LM2576 Automatic Current

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目 录
摘要 ............................................. 一,题目要求 ..................................... 二,方案论证与比较 ............................... (一)总体方案论证 ............................ 1.主从法 .................................. 2.平均电流自动均流法 ...................... 3.热应力自动均流法 ........................ 4.最大电流均流法 .......................... (二)模块的选择 .............................. 1.单片机模块 ............................. 2,开关电源模块 ........................... 三,系统设计 ..................................... (一) 总体设计思路 ......................... (二) 主要电路原理分析与设计 ............... 1. DC/DC 模块 ........................... 2. 电流检测模快 ......................... 3. AD 模块 .............................. 4. DA 模块 .............................. 5.过流保护 ................................ 四,系统软件设计 ................................. (一) 软件功能 ............................. (二) 系统总体框图 ......................... 五,系统测试方法与测试数据 ....................... 六,总结 ......................................... 参考文献 ......................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

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一,题目要求
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=8.0±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=8.0±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=8.0±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%。 2.发挥部分 (1)调整负载电阻,保持输出电压 UO=8.0±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 (0.5~2.0) 范围内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=8.0±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 (调试时允许有±0.2A 的偏差) 。 (5)其他。 4.5A

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二,方案论证与比较
(一)总体方案论证
根据题目要求,要设计两路直流稳压电源,并联输出,并能够自动实现电 路均衡。常见的均流方法有:

1.主从法
在并联运行的电源模块单元中,选定一个电源模块单元作为主电源模块,其 余电源模块作为从流电源模块, 主电源模块工作于电压源方式。而从电源模块工 作于电流源方式,电流值可独立设置,在这种方式下,一旦主模块失效,则整个 系统崩溃,不具备冗余功能。

2.平均电流自动均流法
这种方法不用外加均流控制器,在个电源模块单元间接一条公共均流母线 CSB,均流母线的电压 Ub 为 N 个电源模块代表各自输出电流的电压信号 Ui 的平 均值(即代表电源系统的平均电流) 。Ub 与每个电源模块的取样电压比较后,通 过调整放大器输出一个误差电压,从而调节模块单元的输出电流,达到均流的目 的。 平均电流法可以精确的实现均流,但当公共母线 CSB 发生短路或接在母线的 任一电源模块单元不工作时, CSB 电压下降,结果促使个电源模块输出电压下 使 调,可能达到下限值,引起电源系统故障。

3.热应力自动均流法
利用监测电源系统中每个电源模块单元的温度来实现均流,使其温度高的 模块单元输出电流小,温度低的电源模块输出电流大。

4.最大电流均流法
这种方法采用一套最大值比较器, 每一时刻输出电流最大模块作为主模块 其输出电流转化成的电压信号 Ui 送至均流母线 CSB,即 CSB 上的电压 Ub 反映的 是个电源模块单元中 Ui 的最大值。各从模块的 Ui 与 Ub 比较从而自动调节输出 电流大到均流。

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经过比较,总体上我们最终选择第四种方法

(二)模块的选择
1.单片机模块
方案一:采用比较通用的 51 系列单片机。次单片机的运算能力强,软件编 外围电路的程灵活,自由度大。虽然该系统采用单片机为核心,能够实现对智能 控制,单核心控制部件使用 89C51 时,未达到合计精度的要求,外围电路必须加 上 10 位的高速 A/D 和 D/A,这就是的为整个系统硬件电路比较复杂,而且 10 位 的 A/D 和 D/A 器件价格较高,使得系统的性价比降低。

方案二:采用 MSP430 系列单片机此单片机功能较强,兼容性好,性价比高; 具有体积小,集成度高,易扩展,可靠性高功耗小以及具有较高跌数据处理和运 算能力,系统最高时钟频率 8MHz,且一个时钟周期为一机器周期,运行速度快; MSP430F149 单片机内部集成了 12 位 A/D,D/A 器件。通过采样,结合内部高测量 精度,同时也能利用软件对测量误差进行补偿,这给调试,维护和功能的扩展, 性能的提高,带来了极大的便利。 经过以上考虑,我们选择方案二。

2,开关电源模块
方案一:电源芯片采用美国半导体的 LM2576-ADJ 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,它内含固定频率振荡器(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 LM2576 是线性三端稳压器件(如 78xx 系列端稳压集成电路)的替代品。 它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力,从而为 MCU 的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 内部框图如图

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可调电压输出的电路原理图

其工作原理是: 此电源芯片的 4 脚 Feedback 端的电压稳定在 1.23V,5 脚 ON/OFF 端由逻辑 电平来控制电源芯片的打开和断开,1 脚为输入端,2 脚为输出端,芯片通过调 整起输出脉宽来使 4 脚电压稳定在 1.23V,流入 Feedback 端的电流为零,通过 改变 R2 的值就可以改变输出电压的大小,影响电压输出的就是 R1,R2 的取值, 现我们通过改变由 R1,R2 组成的反馈电路来实现我们要设计的稳压源的电路。 方案二:开关稳压芯片 TPS5430 TPS5430 具有良好的特性,大电流输出:3A;宽电压输入:5.5V----36V;搞 的转换速率:最佳状况可达 95%;宽电压输出范围:最低可调整到 1.22V ;具有 过流保护及热关断功能;有使能端;内部有软启动:其典型应用电路图如图

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此题我们选择方案一

三,系统设计
(一) 总体设计思路
经过方案的论证与比较,我们画出了最终的系统框图。如下:
开关电源

电源模块

测流负载 极性反转

测流模块 正负 5V 电源

AD

单片机

DA

本系统控制器采用超低功耗单片机 MSP430F149,采用独立键盘控 制电流输出,开关电源采用 LM2576,电源芯片采用 AS1117 和 TPS60401,均流通过 ADS1232 采样,送入单片机通过 DAC7811 反 馈回路,实现电压电流控制,达到题目要求。

(二) 主要电路原理分析与设计

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1.

DC/DC 模块

为了减小纹波和电容等效感抗, 我们采用电容 C1 贴近 1 3 管 脚,稳压管贴近管脚 2 的连接方法.

2.

电流检测模快
本模块用电压输出,高测电流检测监控器 INA270,其具有 -16V 至+80V 的宽泛共模输入电压。解决了高共模电压下小 分路压降的测量难题。

注意:管脚 1 和管脚 8 两端的输入电压范围值为 50mv 到 100mv 3. AD 模块

通过 ADS1232 模块实现数据的采集

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4.

DA 模块

DAC7811 是一个 12 位串行输入乘法数模转换器.此装置工作电压在 2.7 V 到 5.5 V。此模块主要为开关电源提供反馈电压。

其电路如图:

R3 10K +5 U3 1 4 5 3 VIN VOUT NC NC NC NC GND NC MC1403N C3 0.1uF 7 3 2 8 7 6 9 SCLK SDIN 4 5 U2 VREF SCLK SDIN SDO GND ADS7811 JP2 SCLK SDIN SYNC VOUT GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Header 10 +12 -12 +5 -5 GND GND JP1 1 2 3 4 5 6 Header 6 VDD RFB IOUT1 IOUT2 SYNC 8 10 1 10pF 2 C5 6 SYNC 0.1uF -12
4

R2 +5 C7 C4 +12 10K C2

0.1uF

0.1uF R1 5K A 1 U1A TL082P

10pF
8

C1 2 3

6 5 B 7

C6 0.1uF

U1B TL082P VOUT

8

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5.过流保护
用单片机控制开关电源 LM2576 的 ON/OFF 端从而实现过流保护。

四,系统软件设计
(一) 软件功能
本软件部分主要功能为:控制 DA 输出电流源的控制电压,对实际电流取 样。DA 输出电压的控制:我们采用预设和步进两种方法来改变电流源的控制电 压。并且步进值可任意设置。 (二)

系统总体框图

两路 DA 采样控制电流的输出,起到过流保护的作用。 流程图如下:
开始

初始化

AD 采集

液晶显示

判断电流大小

设置工作方式

AD 采集各路电流大小

比较 DA 输出控制信号

达到控制目的

结束

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五,系统测试方法与测试数据
1.单个 DC/DC 模块测试数据
负载 空载 10Ω 5Ω 3Ω 电压 23.7V 23.7V 23.7V 输入 电流 0.32A 0.63A 0.96A 电压 8.2V 8.03V 7.99V 输出 电流 0.82A 1.6A 2.4A 效率 功率 Po 6.7W 14.93W 19.34W Pe 7.85W 13.15W 22.75W

η
87% 88% 85%

2.测试结果分析
测试结果表明:输出电压 8.2V,输出电流,效率均达到题目要求

六,总结
经过四天三夜的艰苦,我们基本达到了题目的要求,但其间我们 遇到了各种各样的难题,比如:实现 1:2 均流时不好调节,电流测试 结果显示有出入等等。 在这几天里, 我们全体组员不断探讨解决方案, 调试程序,测试硬件,最终难点一个个被攻破。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,但其间的过 程对我们以后的发展很有帮助,我们将继续努力争取更大进步。

参考文献
(1) 康华光主编 .《电子技术基础模拟部分》 (第五版) 高等教育出版社 (2)高吉祥主编康华光主编 《电子技术基础模拟部分》 (第五版) 高等教育出版社 (3) 高吉祥主编 《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路计》 电子工业出版社 (4)谢子美主编 《电子线路设计-实验-测试》 (第二版) 华中科技大学出版社 (5)沈建华,杨艳琴 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 清华大学出版社 (6)李广弟 《单片机基础》 华中科技大学出版社

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