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开关电源模块并联供电系统


2011 年全国大学生电子设计竞赛

A 开关电源模块并联供电系统(A 题) 【本科组】

2011 年 9 月 6 日 2011





本系统主要核心设计为 DC/DC 模块,并辅以单片机 STC5604AD,霍尔电流传感器 等电路组成,实现了一个 DC/DC 供电系统

。单片机使用了 PI 算法避免了被控量 的严重超调,改善系统在调节过程中的动态特性。该设计较好的实现了并联供 电系统所要求的功能。以 STC5604AD 单片机为主控制器和 PWM 信号发生器,根 据反馈信号对 PWM 信号做出调整,进行可靠的闭环控制,从而实现稳压输出。 关键词:DC/DC 模块 单片机 STC5604AD 霍尔电流传感器 稳压输出 闭环 控制
Abstract: The system is designed to construct a switch power supply module power supply system with the DC/DC module as its core part of a circuit to the input voltage of 24V power supply circuit after step-down down to 8V,complimented by single-chip microcomputer STC5406AD,the keyboard,the Hall effect current sensor and so on .The combination of PI arithmetic working on the single-chip microcomputer can effectively restrain errors,improve system in the process of adjusting dynamic characteristics.The whole system realized the function demand of the switch power supply module parallel power supply system and achieved high technique index. index. Key words: DC/DC module STC5604AD the Hall effect current sensor

I

A 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 DC/DC 模块模块、单片机 STC5604AD 模块、霍尔电流传感器模块、 电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 DC/DC 块的论证与选择
方案一: 采用独立芯片UC384,电源工作原理是采用单端正激变换电路,当变换器 接通电源时,输入直流电压经由电阻,12V稳压管D601和三极管Q601,电路拓扑 以反激和正激电路为主,有时也采用推挽电路,电源要求体积小,设计时采用贴 片元件。在单路输出时,滤波电感采用独立电感,但如果采用独立电感,会产生 交叉调节的问题。 方案二:采用变压器绕组,并利用耦合电感和低压稳压稳路进行二次稳压。 这种方法虽然可以提高电路的稳定度,保证输出电压的精度,但是会增加电路的 损耗,因为二次稳压电路的输入和输出电压差越小,稳压电路功耗就越小,该项 目两路输出功率相差很大,主功率变化范围也很大。 方案三:采用光电耦合与 MOSFET N 进行并联,电感与二极管串联再与电容 并联最后输出,由 PWM 控制 MOSFET N 的通断:当 MOSFET 管 导通,输入的整流 电压经过 L,C1 充电,当 MOSFET 管截止,电感 L 感应出左负右正的电压,经负载 负载和续流二极管 VD2 释放电感 L 中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路 输出直流电压的高低由 MOSFET 的脉冲宽度确定。 这个电路设计抗干扰能力强, 降压效果明显,而且电路实施起来比较容易,故采用这种方案。

1.2 电流传感器的论证与选择
方案一:用分立元件,词方案元器件成本低,易于购置。但是设计调试难度太大,周期 很长,尤其是再短时间内手工制作难以保证可靠性以及指标,所以不采用这种方案。 方案二:直接使用 TBS-DS 系列霍尔电路传感器,将交直流电流电压功率等电信号, 隔离转化成各种标准信号在半导体薄片两端通以控制电流, 并在薄片的垂直方向施加匀强电 场,则在垂直与电流和磁场的方向上,将产生霍尔电压。由于该霍尔器件测量范围广,响应 速度快,测量精度高,线性度好。动态性能好,过载能力强,体积小,重量亲,易于安装, 能准确地将 DC/DC 输出的电压转化为相应的电流值,送入单片机所以采用方案二。

1.3 单片机 STC5604AD 的论证与选择
由于竞赛时间的限制加上器材的种类有限, 而且单片机 STC5604AD 的加密性强, 超强抗 干扰能力,宽电压,不怕电源抖动,所以我们选用 STC5604AD 进行数据的采集,A/D 转换, 求差放大,PI 积分运算并将输出的信号反馈给 DC/DC 模块。
II

3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
我们用采用光电耦合与 MOSFET N 进行并联,电感与二极管串联再与电容并联最后输出, 制作形成一个 DC/DC 降压模块,使其能够将 24V 转换为 8V,再将两个 DC/DC 降压模块并联, 用霍尔电流传感器将电压转化为电流,并且将两个电流值送入单片机 STC5604AD,编程使单 片机对输入的电压值与 0V 的时候的电压值进求差运算,并对两路电流值进行 PI 算法运算, 从而反馈并调整 PWM 的占空比,维持输出电压恒定,且满足设计基本指标。

3.1.1 系统总体框图
如图 3.1.1, 本系统主要以设计 DC/DC 模块为主,将 24V 的电压加到 DC/DC 模块上,由 于 PWM 原理,将占空比设置为 1/3,那么输出电压为 8V,利用霍尔电流互感器的电磁感应原 理得到小电流, 再将霍尔电磁互感器采集得到的电流放入求差电路, 则得到我们所需要的电 流采样,将两路电流采样放入单片机进行比较,去及时控制 PWM 的占空比,保证输出地电压 维持恒定。在分压电路的电阻 RES4 两端假设 5v 稳压管,可以防止电流过大,电压可以在 5v 之内,所有数据可以被单片机采集。

图 3.1.1

系统框图

3.1.2 子系统框图与电路原理图 1. DC/DC 模块
采用光电耦合与 MOSFET N 进行并联,电感与二极管串联再与电容并联最后输出,由 PWM 控制 MOSFET N 的通断:当 MOSFET 管 导通,输入的整流电压经过 L,C1 充电,当 MOSFET 管 截止, 电感 L 感应出左负右正的电压, 经负载负载和续流二极管 VD2 释放电感 L 中存储的能 量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由 MOSFET 的脉冲宽度确定。

III

图 3.2.1(a) D/C 模块的构造

图 3.2.1(b) DC/DC 模块并联

2.霍尔电流传感器
处于竞赛时间限制,使用的是集成模块 TBS-DS 系列霍尔电流传感器 TBS06DS 按照以下接法:

图 2.2.2 霍尔电流传感器接法

3. 单片机系统
单片机负责 A/D 转换, 将我们采集所得到的电流数据转换到单片机的数字数据, 再通过 程序比较采集所得到的电流数据, 根据比较所得到的结果调制 PWM 的占空比, 从而保持稳压 输出。

IV

图 2.2.3 单片机的最小系统

4 电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供 5V 或者 12V 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 3.2.1 程序功能描述与设计思路
单片机 STC5406AD 经过 A/D 转换收集两个 DC/DC 模块采集的电压以及经霍尔电流传感器 产生的电流值 i1,i2 以及在霍尔传感器电流为 0 的时候,采集到的电压 Uio。当信号被采集 到单片机的时候,先做一个减法放大运算。经实验证明:用运放做减法放大电路时,信号太 小电路干扰太大,无法得到理想的放大电压,所以把减法放大这一环节放到单片机中,用软 件部分实现均流。首先用在根据题目要求把 i1,i2 的和分为三种情况(如图 3.2.2) :i1 +i2 <1 A;i1 +i2 >1A 和 i1+i2 < 1.5A;i1+i2>1.5A 和 i1+i2<3.5A。三种情况的流程图一致, 下面我们以 i1+i2<1A 分支画出流程图(如图 3.2.3) ,当 i1+i2>1A or i1+i2<1.5A 时只 需要将判断条件改为 2i1 是否等于 i2,当 i1+i2>1.5A , i1+i2<3.5A 时,将判断条件改为 Ki1 是否等于 i2(K 是我们从按键输入倍数,也是 PI 积分的斜率) ,具体的 C 语言程序见附 录。

V

3.2.2 程序流程图

图 3.2.2 i1,i2 的分类讨论

图 3.2.3 PWM 运行流程

4 测试方案与测试结果
4.1 测试工具:四位半万用表,8846A 六位半数字表,信号发生器,精密电源 4.2 测试结果及分析 4.2 4.2.1 系统输出电流与霍尔电流传感器的线性关系
测试结果:I1,U1 表示的是霍尔电流传感器 1 的输出电流和输入电压 I2,U2 表示的是霍尔电流传感器 2 的输出电流和输入电压 I1 (A) 0.000 0.101 U1 (V) 2.498 2.510 I2 (A) 0.000 0.101 U2 (V) 2.503 2.516
VI

Pi 2

(W)

P2 o

(W)

0.240 1.176

0.000 0.806

0.200 0.301 0.405 0.518 0.595 0.910 1.993

2.522 2.533 2.545 2.558 2.567 2.604 2.7456

0.201 0.297 0.399 0.482 0.903 1.495 1.998

2.528 2.540 2.553 2.566 2.616 2.690 2.733

2.064 2.904 3.768 4.632 8.328 13.944

1.602 2.363 3.167 3.945 7.084 11.538

用 origin 模拟 i1 与 u1 的关系

根据采集所得到的数据,算出线性系数为 0.1195 U1 与 i1 的关系:U1=0.1195× i 1 + 2.5041 用 origin 模拟 i2 和 u2 的关系

根据采集所得到的数据,算出线性系数为 0.1195 U1 与 i1 的关系 U2=0.1145×i2+2.50425 由数据和坐标图线显示: 电流, 电压的关系基本达到线性, 基础指标达到题目设计要求, 输出效率达到 84.7%,测量值与计算值的误差约为 0.79。 4.2.2 系统指标的计算

Iin
0

1

V out 1 Pi 1
(V) 0 (W) 0.24 0

(A)

PO 1
(W) 0.00 0

RL
0

η
0

Iin2

Vout2

Pi 2

(W)

P2 o

(W)

η
0

0

0

0.240

0.000

VII

0.049 0.085 0.122 0.160 0.201 0.230 0.348 0.587

7.986 7.968 7.952 7.935 7.917 7.904 7.855 7.746

1.17 6 2.04 2.92 8 3.84 4.82 4 5.52 8.35 2 14.0 88

0.80 7 1.59 36 2.39 4 3.21 4 4.10 1 4.70 3 7.14 8 11.7 04

24.851 12.610 8.415 6.284 4.938 4.314 2.862 1.769

68.62 2% 78.11 8% 81.76 2% 83.69 8% 85.01 2% 85.19 9% 85.58 4% 83.07 8%

0.049 0.086 0.121 0.157 0.193 0.347 0.581

7.989 7.971 7.955 7.937 7.921 7.845 7.718

1.176 2.064 2.904 3.768 4.632 8.328 13.944

0.806 1.602 2.363 3.167 3.945 7.084 11.538

85.034% 77.616% 81.371% 84.049% 85.168% 85.062% 82.745%

由上表可知: 1.当调节负载到额定输出功率时,输出电压约为 7.904V 7.904V,满足任务书中提出使供电系统的 直流输出电压为 U0= U0=8.0±0.4V ;2. 2. 2.平均效率为 81.384%,在额定输出功率的条件下,效率约为 85.199% 85.199%,满足任务书中提出 的效率不低于 60%

3)调整负载电阻,保持输出电压为8.0V左右,使两个模块输出电流之 3.和 IO =1.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流,此时 Ii1 为 0.518 Ii2 为 0.482, 0.518,I 此时误差大约为 3.6%,满足模块中提出的误差绝对值不大于 5%。
五结论。 本系统以单片机 STC5604AD 和 DC/DC 模块为核心技术,采用 PI 算法实现电流的比 较并反馈调节 PWM 的占空比,使得到一个稳定的电压。供电系统的直流输出电压和精度 指标基本达到要求,调制负载电阻,输出的电流误差不到 1% 1%,理想的达到了竞赛题目所提 出的要求。如果光电耦合模块采用调制技术,提高抗干扰能力和控制算法的进一步优化, . 本系统的性能将进一步提高.

综上所述,本设计达到设计要求。

VIII

附录:单片机的程序: #include <12C5604AD.h> #include <intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit date=P1^7; sbit clk=P1^6; sbit s1=P0^0; sbit s2=P0^1; sbit s3=P0^2; uchar ge,shi,bai,m,qian,t0,duty0,duty1,q,k;

uint dat[3]={0,0,0}; uint start[3]={0,0,0}; uint temp[3]={0,0,0}; uchar code dofly[]={ 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0xbf}; uchar code table[]={ 0x40,0x79,0x24,0x30, 0x19,0x12,0x02,0x78, 0x00,0x10}; void disply(uchar b); typedef unsigned char BYTE; BYTE ch=0; #define ADC_POWER 0x80 #define ADC_FLAG 0x10 #define ADC_START 0x08 #define ADC_SPEEDLL 0x00 #define ADC_SPEEDL 0x20 #define ADC_SPEEDH 0x40 #define ADC_SPEEDHH 0x60 =======*/ /*=== /*===延时=======*/ void Delay(uint n) { uint x; while (n--) { x = 5000; while (x--); } }

9

========== //======= //=======显示子程序========== void disply(uchar b){ uchar x; for(x=0;x<8;x++){ b=b<<1; date=CY; clk=1; _nop_(); clk=0; } } ========== //======= //=======显示主程序========== void disply0(uchar lu){ ge=temp[lu]%10; shi=temp[lu]/10%10; bai=temp[lu]/100%10; qian=temp[lu]/1000; m=dofly[ge]; disply(m); m=dofly[shi]; disply(m); m=dofly[bai]; disply(m); m=table[qian]; disply(m); Delay(20); } ============ //=======AD 初始化============ void initad(){ P1=P1M0=P1M1 = 0x3f; ADC_DATA=0; ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDHH; Delay(2); ch=0; t0=0; q=0; k=1; } =========== //==========AD 转换=========== void adresult(BYTE ch) { 压 ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDHH|ADC_START|ch; // //开始转换

//ch=0 电流 1

ch=1

电流 2

ch=2 电

10

_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(!(ADC_CONTR&ADC_FLAG)); ADC_CONTR &=~ADC_FLAG; dat[ch]=ADC_DATA*4+ADC_LOW2; if(t0==0){ start[ch]=((float)(dat[ch]*50)/1024)*100; if(ch==2){ t0=1; m=0xc8; disply(m); m=0x86; disply(m); m=0x8c; disply(m); m=0xc0; disply(m); Delay(500); } } if(t0==1){ temp[ch]=((float)(dat[ch]*50)/1024)*100; if(ch<2){ if(temp[ch]<=start[ch]) temp[ch]=0; temp[ch]=(temp[ch]-start[ch])*50/16; } } } //==============pwm================ void pwm(){ duty0=0xab; duty1=0xab; CCON=0; CL=0; CH=0; CMOD=0X02; CCAPM0=0x42;

// //等待转换结束 // //标志位清除 //10 位 AD 结果

// //采集初始值零点

// //显示 open 等待工作

// //电压值

2 进制转十进制

// //电流值

2 进制转十进制

11

CCAP0H=CCAP0L=duty0; CCAPM1=0x42; CCAP1H=CCAP1L=duty1; CR=1; } //=========== =========== //===========电流比例设置=========== void liuk(){ if(temp[0]+temp[1]<=1000){ if(temp[0]<temp[1]){ duty0--; // //占空比增加

} if(temp[0]>temp[1]){ duty0++; } } if(1000<(temp[0]+temp[1])<1500){ if(temp[0]<0.5*temp[1]){ duty0--; } if(temp[0]>0.5*temp[1]){ duty0++; } } if(1500<=(temp[0]+temp[1])<3500){

// //占空比减少

if(k*temp[0]<temp[1]){ duty0--; } if(k*temp[0]>temp[1]){ duty0++;

} }

12

} =========== //======== //========键盘检测=========== void key(){ if(s1==0){ Delay(1); if(s1==0){ q++; if(q==3) q=0; while(s1==0); } } if(s2==0){ Delay(1); if(s2==0){ k++; if(k==10) k=1; disply(dofly[k]); disply(0xbf); disply(0xf9); disply(0xc0); while(s2==0); } } } ========== //=========== //===========主函数========== void main() { initad(); pwm(); Delay(10); while(1) { adresult(0); adresult(1); adresult(2); liuk(); key(); disply0(q); }

13

}

14

附录 2:源程序

15


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