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1、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（开关电源模块并联供电系统（A 题）题）【本科组本科组】2011 年年 9 月月 3 日日I摘摘 要要对于能将 24V 降压为 8V 的 DC/DC 电路，采用最为简单可靠的 Buck 拓扑 结构，控制芯片采用峰值电流控制性脉宽调制芯片 UC3845 该电路外接元器件 少，UC3845 的峰值电流控制可以对开关管进行过流保护，而输出电路的过流 保护则通过继电器来实现，控制灵活，成本低，输出电压稳定。对于均流电路， 采用 UC3902 芯片，该芯片是较为传统的均流芯片，精度高。Abstractto be able to 24V step-
2、down to 8V DC/DC circuit,using the most simple and reliable Buck topology,the control chip peak current controlled PWM chip UC3842 fewer external components of the circuit,UC3842 can control the peak switch current tube-current protection,and output over-current protection circuit through the relay
3、to achieve flexible control,low cost,output voltage stable.For the current sharing circuit,using UC3902 chip,which is the more traditional current- chip,high precisionII目目 录录1 系统方案.1 1.1 DC/DC 变换电路的论证与选择.1 1.2 均流电路的论证与选择.1 1.3 控制系统的论证与选择.1 2 系统理论分析与计算.1 2.1 变换器效率指标的分析.1 2.1.1 选择合适的开关频率.1 2.1.2 低功耗元器
4、件的选取.1 2.1.3 控制电路供电电源的实现方法.1 2.2 Buck 电路参数的计算.1 2.2.1 电感值的计算.1 2.2.2 电容值的计算.1 2.2.3 MOS 管型号的选择.1 2.3 控制电路设计与参数的计算.2 2.3.1 脉宽调制芯片 UC3842 的电路设计.2 2.3.2 均流芯片 UC3902 的电路设计.2 2.3.3 效率的分析与计算.2 3 电路与程序设计.2 3.1 电路的设计.2 3.1.1 系统总体框图.2 3.1.2 电源.2 3.2 程序的设计.2 3.2.1 程序功能描述与设计思路.2 3.2.2 程序流程图.3 4 测试方案与测试结果.3 4.1
5、 测试方案.3 4.2 测试条件与仪器.3 4.3 测试结果及分析.3 4.3.1 测试结果(数据).3 4.3.2 测试分析与结论.4 附录 1：电路原理图.5 附录 2：源程序.61开关电源模块并联供电系统（开关电源模块并联供电系统（A 题）题）【本科组本科组】1 系统方案系统方案本系统主要由 DC/DC 变换模块、均流模块、控制模块、电源模块组成，下面分别论证这几个 模块的选择。1.1 DC/DC 变换电路的论证与选择变换电路的论证与选择方案一：采用隔离变压器进行 DC/DC 变换，单管它激式反激型直流变换器，效率 约为 80%。方案二：采用 Buck-Boost 电路。该电路也可以实现
6、降压功能，但是输出电压是负值， 而且他的应用电路稍微复杂。方案三：采用 Buck 电路。Buck 电路是一种主要的降压型 DC/DC 变换拓扑，通过 控制开关器件 S 的占空比来控制输出电压，其拓扑结构简单，控制方便，输出功率大， 具有良好的输出特性。如图 1-1-3图 1-1-3其他拓扑形式还有 Cuk, Sepic, Zata 等，这些都可以实现降压功能，但是在实际应用 中电路均比较复杂，控制困难，不便于短时间内完成系统设计。 方案一可以实现题目 要求，但结构比较复杂、成本比较高。方案二的不仅输出为负，而且电路也比较复杂。 方案三不仅满足题目要求且相对方案一，结构更为简单，成本较低。 综合
7、以上三种方案，选择方案三。1.2 均流电路的论证与选择均流电路的论证与选择方案一：下垂法2下垂法是最简单的一种均流方法。其实质是利用本模块电流反馈信号或者直接输出串 联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。模块之间 无互连通讯线;实为开环控制，小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善; 对稳压源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获 取均流，该法可以应用在均流精度大于或等于 10%的场合;对于不同额定功率的并联模 块，难以 实现均流。方案二：有源均流法采用互连通讯线连接所有的并联模块，用于提供共同的电流参考信号。一般并联变换 器采用
8、电流型控制，即电流内环和电压外环双环控制，以下把功率级和电流内环作为变 换器的基本单元。采用互连通讯线连接所有的并联模块，用于提供共同的电流参考信 号。一般并联变换器采用电流型控制，即电流内环和电压外环双环控制，以下把功率 级和电流内环作为变换器的基本单元。环内调整中均流环从电压环内叠加，均流环可 以很好的和电流环结合起来，整个结构简单，均流信号从环内注入，其带宽不受电压 环的限制，反应速度快，均流母线的电压从电压调整放大器获得，但容易引起噪声;双 环调整中均流环和电压环并行一起作用于基本单元。方案三：最大均流法最大电流均流技术由环外调整和母线自主配置相结合而成，不改变模块基本单元的内 部结构
9、，只需在电压环外面叠加一个均流环，各模块间接一条均流母线 CSB。Unitrode IC 公司开发的均流控制芯片 UC3902 正是基于最大电流自动均流的思想，简化了并联 电源系统的设计与调试，得到广泛应用。其数据手册指出，UC3902 在满载时均流误差 达到 2%，满足实验要求综合以上三种方案，选择方案三。1.3 控制系统的论证与选择控制系统的论证与选择方案一：运用函数发生器 8038 产生三角波，与 MCU 的 ADC 输出进行比较，可 得占空比可调的 PWM 波，MCU 的 ADC 输出来自于基于输出电压反馈的 PI 调节运算 结果。输出的 PWM 波经过 2103 后驱动 MOS 管。
10、该系统由于用软件实现 PI 调节，因 此，要用到高速单片机，提高了系统成本和软件编写的难度。方案二：采用 UC3842 作为变换电路的控制芯片。UC3842 是一种峰值电流控制型 脉宽调制芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计中。根据 UC3842 的功能特点，结合 Boost 电路拓扑结构，完全可设计成电流控制型的升压 DC-DC 电路。 该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，输出功率容易做到 100W 以上，具有其他 专用芯片难以实现的功能。另外，给定电压的稳定主要由硬件电路完成，实时性好， 可靠性高，不需要用到高速单片机，也降低了软件编写的难度。方案一器件价格较贵，电路稍显
11、复杂，性价比不高。方案二器件少，外围电路简单， 价格便宜，软件编写简单，且输出功率能满足要求。综合考虑采用方案二。32 系统理论分析与计算系统理论分析与计算2.1 变换器效率指标的分析变换器效率指标的分析 2.1.1 选择合适的开关频率选择合适的开关频率开关频率和 MOS 管的功耗有很大的关系，频率越高，产生的损耗越大。较低的 电路工作频率可以降低 MOS 管的开关损耗，但输出电压脉动会增大，因此应在允许的 频率范围内选择较低的频率。合适的开关频率大致处于 20KHz 与 60KHz 之间，本系统 选取开关频率为 25KHz，可以降低损耗。2.1.2 低功耗元器件的选取低功耗元器件的选取系统总
12、的损耗中还包括各种元件的功耗。只要在元件选取时注意采用低功耗器件， 则这一部分损耗对系统效率的影响可以减小到最小。例如，在显示部分，如果采用 LED 数码管显示，则功耗比较大。如果采用功耗比较小的字符型液晶显示器（如 EDM1602）代替 LED 数码管显示器，则功耗可下降至 0.07W。另外，由于主回路控制 器件 MOS 管工作时流过的电流比较大，所以选取导通电阻比较小的 MOS 管将有利于 降低损耗。例如 IRF640 的导通电阻仅为 0.04，在 2A 工作电流下仅产生 0.16W 的通 态损耗。2.1.3 控制电路供电电源的实现方法控制电路供电电源的实现方法控制电路需要有+5V、+12
13、V 和-12V 的电源。其产生的方式主要有两种，一种是利用线性稳压 电路，核心芯片采用 7805、7812 和 7912 等；另外一种是利用基于开关电源技术的控制芯片，如 2576 等。前者由于损耗比较大，故在本电路设计中采用后者。2.2 Buck 电路参数的计算电路参数的计算 2.2.1 电感值的计算：电感值的计算：根据题目要求，Uo=8V,而输入到直流母线上的电压 Uin=24V，取 R=20 欧姆， Ts=1/f，f=25KHZ，当 D 取 1/3 时，可求得：LRTs(1-D)/2=20uH由上式可知，要使系统电流工作在连续状态，电感值至少大于 20uH 本系统选择的电感值为 200u
14、H，并且通过选用铁芯使得电感在流过 3A 电流的时 候铁芯不饱和2.2.2 电容值得计算电容值得计算电容的大小决定负载电压的波动程度，因此负载的电压波动可作为选择电容的依4据。在 MOS 管导通期间，导通时间为 T，负载电流靠电容放电得以维持。设在整个 MOS 管导通期间内电压变化 U，并假设负载电流 I 在此期间恒定，则电容电压亦即 负载电压下降了TICU1根据上式可确定电容的数值，U 与 I 和 均有关，考虑在最严重的情况下仍能保证电压的波动符合要求，电容的容量应满足 UTIComaz max上式中，为输出电流的最大值。omazI通过估算，电容的取值为 1000F。2.2.3 MOS 管型
15、号的选择管型号的选择该电路中，MOS 管要承受的最大电压值为 24V,流过的电流最大值为 3A，而且， 开关整流电路效率的高低主要取决于调整管的调整效率，而调整效率的高低取决于调 整管功率损耗的大小。我们考虑的型号是 IRF640 和 IRF540，IRF640 承受的最大电压 值为 200V，承受的最大的电流值为 10A。IRF540 承受的最大电压是 100V，电流的最 大值是 23A。经过实际测试，发现它们都能够满足要求，但是 IRF640 的功率损耗更小， 所以采用 IRF540 作为实际电路中应用的 MOS 管。2.3 控制电路设计与参数的计算控制电路设计与参数的计算 2.3.1 脉
16、宽调制芯片脉宽调制芯片 UC3842 的电路设计的电路设计具体连接图如下：5VCC7OUT6CMPEN1VFB2RT/CT4ISEN3VREF8GND5U1UC3845AN 470KR410KR55.1nFC3ISEN30pFC20.01uFC110KR320KR1Q1 IRF64024VD1 MBR201000.1R/3WRS1200uHL1Inductor Iron1000uFC5 Cap Pol28V18V1out0.1uFC45KR2 Res TapVCC7OUT6CMPEN1VFB2RT/CT4ISEN3VREF8GND5U1UC3845AN 470KR910KR105.1nFC7I
17、SEN30pFC60.01uFC510KR820KR6Q2 IRF64024VD2 MBR201000.1R/3WRS2200uHL2Inductor Iron1000uFC? Cap Pol28V28V20.1uFC95KR7 Res Tap负负芯片的振荡频率估算公式为：f=1.75/RtCt上式中 Rt 取 XX，Ct 取 XX，理论计算出来的频率值为 XX ,但由于电容值不准 确，实际值只有 XX。2.3.2 均流芯片均流芯片 UC3902 的电路设计的电路设计图2.3.3 效率的分析与计算效率的分析与计算 在 Buck 变换电路中，MOS 管的开关损耗不可忽视。MOS 管开通时的损耗主
18、要 包括：MOS 管开通的时候开关两端等效电容(包括输出电容和缓冲电路电容 )放电形成6容性开通损耗，以及 MOS 管从截止到完全开通渡过放大区时形成的损耗。而 MOS 管关断时的损耗产生的原因多种多样 ，但主要表现为：关断过程电流下降的延迟和电 压的过快上升，从而形成电压电流的交叠 ，产生很大的功率损耗。适当降低的电路工 作频率可以降低 MOS 管的开关损耗，因此应在允许的频率范围内选择较低的频率，可 以提高系统效率。合适的开关频率大致处于 20KHz 与 60KHz 之间，本系统选取开关频 率为 25KHz。 假设 MOS 管的开通和关断的重叠时间相同，均为 t，则一个开关周期内 MOS
19、管的平均损耗为：tfIVdttitvTPSSSTsddsSSW31)()(1 0其中 Ts 为开关周期，fs 为开关频率，Vs 为 MOS 管关断期间加在它两端的电压，Is 为晶体管 导通期间流过的电流。由上式可知，MOS 管的开通关断损耗与开关频率成正比，适当降低开关频 率有助于降低系统功耗。3 电路与程序设计电路与程序设计3.1 电路的设计电路的设计3.1.1 系统总体框图系统总体框图系统总体框图如图 3-1-1-1 所示Buck降压电路DCDC分流电路MCU主控制器取样电路保护电路显示电路DC负载键盘图 3-1-1-1 系统总体框图73.1.2 电源电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部
20、分组成。为整个系统提供工作电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2 程序的设计程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：设置电流的比例2）显示部分：显示电压值和电流值2、程序设计思路在系统中，软件的主要作用是完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果 显示等功能，设计相对简单。3.2.2 程序流程图程序流程图主程序流程图，如图 3-2-2-18YN开始主程序初始化电流采样是否过流LCD 显示输出几点波爱护动作信 号，并发出报警信号故障信号处
21、理完成信号NY撤除软件继电保护 信号图 3-2-2-1 主程序流程图4 测试方案与测试结果测试方案与测试结果4.1 测试方案测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调94.2 测试条件与仪器测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检 查无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针 式万用表。4.3 测试结果及分析测试结果及分析4.3.1 测试结果测试结果(数据数据) 2V 档信号测试结果好下表所示： （单位/V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2 测试分析与结论测试分析与结论 根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：1、2、3、综上所述，本设计达到设计要求。10附录附录 1：电路原理图：电路原理图11附录附录 2：源程序：源程序