《全国大学生电子设计大赛报告.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全国大学生电子设计大赛报告.doc（21页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、. .题目名称：开关电源模块并联供电系统A 题摘要开关电源模块并联供电系统是采用8位Atmega88的开关电源，主电路采用LM2576和LM2596作为两块并联的开关电源。LM2576作为恒压源，LM2596作为恒流源。该两块开关电源保证系统的效率，电流电压调整率和输出精度要求。系统具有限流保护功能，HD7279键盘输入输出等多种功能。该系统主要采用硬件反应调节，调整能力强，使单片机负载小。本系统功能完善，在支路在0.5-2A输出X围内，干路电流输出X围使1-4A其分压比由外界输入。由AD采用，读出干路电流，经数字电位器调整恒流源工作状态，使其自调整实现固定分压比，并且电流精度满足在百分之五以
2、内。关机或过流保护收后，具有可以记忆参数、自恢复功能。Abstract Switching power supply modules in parallel power supply system is the use of 8-bit Atmega88 switching power supply, the main circuit LM2576 and LM2596 as two parallel switching power supply. LM2576 as the voltage source, LM2596 as a constant current source. The tw
3、o switching power supply to ensure efficiency of the system, current and output voltage regulation accuracy requirements. System has a current limit protection, HD7279 keyboard input and output functions. The system uses hardware feedback regulation, adjust the ability to make a small single-chip lo
4、ad.The system is functional, the branch in the output range of 0.5-2A, distributors current output range 1-4A the partial pressure than by the external input. Used by the AD, to read out the current trunk, the digital potentiometer to adjust the current source working condition, to self-adjust to ac
5、hieve a fixed partial pressure ratio, and accuracy to meet the current five percent or less. After closing down or over-current protection, with memory parameters can be, since the recovery.1 方案论证与比拟31.1 系统方案论证31.2 过流保护方案论证52 系统设计62.1 总体设计62.2 单元电路设计72.2.1 数字电位器电路设计72.2.2 AD转换电路设计82.2.3 恒流局部电路设计102.
6、2.4 恒压局部电路设计123 软件设计134系统测试155 结论17参考文献：17附录：17附1：元器件明细表：17附2：仪器设备清单17附3：电路图图纸171 方案论证与比拟1.1系统方案选择题目分析：根据题目要求，负载端电压为8V，允许误差为0.4V。题目要求两个支路电流比可调，即两个开关电源的内阻可调。所以两种根本方案：直接改变开关电源内阻；通过调整开关电源输出电压，间接改变内阻。要求效率要大于60%，所以要选用大于60%的开关电源并联是可行的。电源应该具有掉电保护功能，可以用EEPROM来记忆系统重要参数。系统还应该具有掉电保护功能，可以通过MCU控制LM2596和LM2576的ON
7、/OFF管脚来实现对电路的过流保护。方案选择:方案一、该系统首先对通过负载的电流和负载两端的电压进展采样返回到MCU，计算出当前负载，然后根据的分流比，计算出和。单片机通过对开关板电压的采样稳定住两个开关电源的输出。然后计算出两个开关电源串联的可变电阻的阻值的大小。通过MCU改变可变电阻的大小。方案分析：其中，根据题目要求，通过可变电阻的电流要0.5-2A，可变电阻要是大功率电阻。而实际中，数字电位器并不能承受大电流。所以不能采用数字电位器。另外一种方法是通过继电器控制一些列的大功率电阻的导通和关闭。这种方案涉及的电路的设计比拟少，虽然简单，实际中也没有采用。方案二、该系统采用两块开关电源，在
8、其输出端加保护电阻。由MCU检测负载两端电压和电流，计算出当前负载，然后计算当负载两端为8V时的，通过负载应该为多大电流。然后根据输入的分压比，计算两个支路应该输出的电流。然后根据保护电阻的阻值，确定损失在保护电阻的电压。最后通过单片机控制开关电源的电压输出。其中，对开关电源的输出采用PID控制技术。方案分析：该电路灵活性比拟好。能满足题目的要求，甚至，可以任意更改需要稳定的电压值此题中为8V。但是该电路控制起来非常复杂，总共四路采样，三路PID。主控制芯片为ATmega88，处理能力很可能会满足不了在规定时间内稳定的条件。所以没有采用该方案。方案三、该系统采用开关恒流源和开关恒压源的方案。单
9、片机对主干路和恒流源支路进展两路电流采样。该系统采用具有自调整功能的开关电源构建恒流源和恒压源。其中，恒压源负责稳定输出电压，由单片机控制恒流源的电流，由恒压源补充剩下的电流。这样，即保证了恒压输出的要求，由恒流源保证了分流比。方案分析：该方案简单可行，单片机负载小，电路多采用硬件自调整，因而具有很好的可行性。由单片机控制恒流源输出也更具有精准性和可调整性。1.2过流保护方案选择方案一：利用电磁继电器作为开关，控制总电路通断，当电流值超过4.5A时，程序控制继电器关断，实现过流保护。方案分析：此方案合理，但是需要另加电磁继电器，对功率有一定损耗，也增加了硬件本钱，虽然可行，但是并不最优。方案二
10、： 直接利用lM2596-adj 和LM2576-ADJ 的on/off 端，实现对电路的控制。当电流超过4.5A时，on/off端拉高，芯片停顿工作，等待，单片机电流检测点降至2.0以下时，芯片继续工作。方案分析： 此方案实现简单，无需外加硬件，功率损耗小，但是，两芯片同时关断后，单片机无法正常供电，无法实现自动恢复。方案三： 利用LM2596和LM2576的on/off端，通过MCU，控制引脚上下电平，实现过流保护，单片机通过一个单独的LM2596-5 供电，即使关断开关电源两路输出，单片机也将正常工作。方案分析： 此方案硬件上略有增加，但是切断了单片机和开关电源的电器联系，不仅有利于过流
11、保护，还对整个电路的电气特性有很好的改善作用。应选择这种电流保护和自动恢复方式。2 系统设计2.1 总体设计系统框图如下：系统电路图2.2 单元电路设计2.2.1数字电位器电路设计MCP41010的内部构造MCP41010的内部含有：SPI总线接口、一个POT(电位器)。POT内有一个8 b滑刷控制数据存放器。该电阻最大值可为10k，50k和100k，单位电阻为量程除以256。题目实际采用的是10K。MCP41010的控制方式MCP41010具有SPI总线接口，采用简单的2 B指令构造。它的控制方式非常简单，可以采用SPI总线通信，也可以采用软件模拟SPI总线时序。MCP41010的指令格式M
12、CP41010的指令非常简单，由两段组成每段均有一个字节：第一段为命令字节，第二段为数据。命令字节中第2，3位和6，7位为无效位，不用对其操作；C1，C0为指令选择位；P1，P0为电位器选择位，由于MCP41010只集成了一个电位器，所以P1，P0必须设为01。在MCP41010中，C1，C0为01时为写数据指令；C1，C0为00或11时为空操作；C1，C0为10对应关闭模式用于MCP42XXX系列数字电位器。在MCP41010中写命令字节通常为0x11，数据字段为8 bs数据，可以置滑动端到256个端点中任何一个，因此精度非常高。MCP41010的指令序列传输先写命令字节再写数据字节。为数字
13、电位器片选端，只有为低电平时，命令字和数据字才能进入16位移位存放器。当出现上升沿时，移位存放器的值进人数据存放器，从而改变了电位器阻值。SCK为时钟线，数据在SCK的上升沿进入SI数据线。器件会在上升沿时自动监测低电平时SCK的脉冲数，也就是上升沿的个数，只有时钟数为16的倍数时，命令才能执行，否那么命令失效。一个完整的MCP41010写时序包括以下几个局部：(1)起始位。以为低电平，SCK出现上升沿为起始标志。(2)传送MCP41010的命令字段。(3)传送8 b的数据字段。(4)停顿位。以SCK为低电平，CS出现上升沿为SPI总线传输完毕标志。【计算公式：】mand为 0x11时选用10
14、K欧姆X围，PB0有效。理论输送BYTE理 = 电阻值R*(255/10)；但是实测数字电位器输出X围不到10K，仅为9.3K欧姆，因而修正后得到：实际输送BYTE 实= 电阻值R*(255/9.3)；2.2.2 AD转换及控制模块电路设计【电路图：】先将小电阻采得的小电压经MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887进展采样，将转换的数据送mega8进展处理。MAX4172概述：MAX4172是MAX系列电流检测放大器芯片中的一款低本钱、高精度、高边电流检测放大器。MAX4172通过一个外接测流电阻R，来检测负载电流，改变测流电阻的阻值即可对不同负载电流X围进展一个大X围的输出电压
15、和电流。其最终输出电流公式：I_out=G_m*I_load*R_sense输出电压公式：V_out=G_m*R_sense*R_out*I_load其中，Vout 为所要求取得输出电压，Iload为需检测的负载电流，Rsense为测流电阻，Rout为电压调整电阻，Gm为MAX4172的跨导，其值为10毫安每伏。1测流电阻R_sense的选取：测流电阻 R_sense的选取有两个方面的含义：一方面是指R_sense 阻值的选取, 另一方面是指R_sense采取哪种方法实现。测流电阻R_sense阻值的选取主要基于以下几个原那么：一电压损失。高R_sense 阻值将会使电源电压降低。为了使电压损
16、失最小, 需选用阻值尽量小的R_sense 。二准确性：高R_sense 阻值可使较低的电流被更准确地测量。这是因为当检测电压较大时偏差就变得不显著。为了到达最好的性能, 可选取R_sense阻值为满刻度。检测电流时能提供检测电压接近100mV满刻度检测电压的典型值的阻值, 即R_sense100mV/I_load。三、效率和功率耗损。当电流较高水平时, 测流电阻+, ,上的功率损失将比拟显著, 选择电阻时需要考虑这个问题,该电阻的额定功率损耗也必须考虑。同时,当该电阻由于功率较高温度升高时, R_sense的阻值也会产生温度漂移。在选取测流电阻的阻值时, 以上的三个问题需要综合考虑, 阻值过
17、高或过低都不利流的检测。最终, 根据以上讨论和系统需要,本电路选取阻值为 干路上0.02欧，恒流支路上为0.04欧的测流电阻 。 2.电压调整电阻Rout 的选取： 电压调整电阻Rout 的值确定了满刻度输出电压X围，而由要求的满刻度输出电压必须小于等于芯片电源电压输入减1.2V，应选择MAX4172 干路上接+5V电，支路上接+24V电。【计算公式：】MAX4172外设电路非常简单。其实际上为一恒流源，所以在OUT端接一个下拉电阻，进而得到其放大倍数。其关系如下：Vout=Vsense*R/100 其中Vsense为Rs+和Rs-端输入的电压差采样芯片计算公式为Data=Vref*Vin/4
18、096其中Vin为要采样的电压2.2.3 恒流局部模块设计【电路图：】【计算公式：】硬件PID过程：电流I2经采样后转为小电压:Vi2 = V2_POUT V2_OUT，经放大得:I_CH2 = Vi2*放大倍数B；在经过跟随器LM324AD起隔离作用得：I_FB= I_CH2；反应至数字电位器经分压得Vref实，然后芯片自调节使其不断逼近Vref = 1.23伏特。根据其调整关系，即Vfb=Vref，建立起恒流源输出电流和数字电位器的关系，推到过程如下：设恒流源输出电流为I，采样电阻为R，max4172放大倍数为，数字电位器阻值为R2，其分压电阻阻值为R1。那么经过放大后可得Vout=I*R
19、*经过分压电阻分压后得到的反应电压为Vfb=1+*Vout反应电压等于芯片内部基准源。Vout=Vfb联立公式，反解电流I得到I=Vref*1+在实际中，该电路采用了放大100倍，采样电阻为0.04，R1=6000总结得：I=0.3075*(1+6000/Rs)。2.2.4 恒压局部模块设计【电路图：】恒压源中，反应电压等于基准源。其公式如下：Vout=Vref*1+R2/R1此题中R2为10K，R1为1.2K，所以Vout=8V。3 软件设计软件流程图如下：主流程图Case 子程序流程图过流保护流程图4 系统测试4.1 数字电位器电位-电流测量【Rs-I】室温条件下电阻/欧姆电流/AREG电
20、阻/欧姆电流/AREG电阻/欧姆电流/AREG937.502.276242539.061.034655039.060.674129976.562.197252578.131.023665078.130.6711301015.632.124262617.191.012675117.190.6681311054.692.057272656.251.002685156.250.6651321093.751.994282695.310.992695195.310.6631331132.811.936292734.380.982705234.380.6601341171.881.882302773.44
21、0.973715273.440.6571351210.941.831312812.500.964725312.500.6551361250.001.784322851.560.955735351.560.6521371289.061.739332890.630.946745390.630.6501381328.131.697342929.690.937755429.690.6471391367.191.657352968.750.929765468.750.6451401406.251.620363007.810.921775507.810.6421411445.311.584373046.8
22、80.913785546.880.6401421484.381.550383085.940.905795585.940.6381431523.441.519393125.000.898805625.000.6361441562.501.488403164.060.891815664.060.6331451601.561.460413203.130.884825703.130.6311461640.631.432423242.190.877835742.190.6291471679.691.406433281.250.870845781.250.6271481718.751.381443320.
23、310.863855820.310.6241491757.811.357453359.380.857865859.380.6221501796.881.334463398.440.850875898.440.6201511835.941.312473437.500.844885937.500.6181521875.001.292483476.560.838895976.560.6161531914.061.271493515.630.832906015.630.6141541953.131.252503554.690.827916054.690.6121551992.191.234513593
24、.750.821926093.750.6101562031.251.216523632.810.815936132.810.6081572070.311.199533671.880.810946171.880.6061582109.381.182543710.940.805956210.940.6051592148.441.166553750.000.800966250.000.6031602187.501.151563789.060.794976289.060.6011612226.561.136573828.130.789986328.130.599162电阻/欧姆电流/AREG电阻/欧姆
25、电流/AREG8789.060.5172259335.940.5052398828.130.5162269375.000.5042408867.190.5162279414.060.5032418906.250.5152289453.130.5032428945.310.5142299492.190.5022438984.380.5132309531.250.5012449023.440.5122319570.310.5002459062.500.5112329609.380.5002469101.560.5102339648.440.4992479140.630.5092349687.500
26、.4982489179.690.5082359726.560.4972499218.750.5082369765.630.4962509257.810.5072379804.690.4962519296.880.5062389843.750.495252结果分析： 由于室温条件下实测数字电位器的最大阻值送往存放器的值为255时为9.1K欧姆，假设影响较大那么所以需要修正，然后进展测量，发现误差不大，在+-5%以内。我们以电流值用电流表进展测量，由于精度电表内阻较大因而其实际准确值无法测量，所以我们只能根据X围估计其误差，都在5%以内。4.2 功率-效率测量室温条件下UinIinPinUoutI
27、outPout效率n240.215.048.110.4944.006340.79490923.950.286.7068.0070.514.083570.60894323.90.358.3657.9040.75.53280.66142323.850.4210.0177.890.97.1010.70889523.80.4911.6627.8761.18.66360.74289123.80.5613.3287.8621.310.22060.76685223.750.6314.96257.8481.511.7720.78676723.750.716.6257.8341.713.31780.801071
28、23.70.7718.2497.821.914.8580.81418223.70.8219.4347.8061.9915.533940.79931823.650.8720.57557.7922.0515.97360.7763415 结论最终，回忆这次电子设计，该系统主要的构造设计、软件设计、硬件设计和原器件的选择都有效保证了实验最终的精度和带载能力。硬件设计上，该系统采用了两块具备自调整功能的开关电源，因此把相当大的工作量交给硬件来处理，这样大大提高了系统的响应速度，并且两块开关电源板的效率都很高，最终保证了最终的系统效率。在构造上采用了恒流源和恒压远的模式，清晰明了，控制简单，易实现较高精度
29、。在原器件的选择上，选用了小信号放大能力很强的Max4172，有效地保证了系统的精度，与数字电位器搭配的电阻经过excel多组数据的拟合，最终实现了较高的精度。由于该系统架构设计合理，功能好，系统性能优良、稳定，较好地到达了题目要求的各项指标。参考文献：?开关电源并联均流技术?电子信息大学路秋生X艳杰(100031)；?模拟电子线路根底?，X运昌著，：华南理工大学，2004年；?数字电子技术根底?，阎石著，：高等教育，1997年；?数据构造与算法?，X晓丽等著，：机械工业，2002年；?单片机原理及应用?，李建忠著，：XX电子科技大学，2002年；附录：附1：元器件明细表：1、 LM25762、 LM2596 3、 ATMEGA884、 AD78875、 HD72796、 数码管附2：仪器设备清单1、 低频信号发生器 2、 数字万用表 3、 数字示波器4、 稳压电源. .word.