2011全国大学生电子设计大赛国家一等奖A题

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）

（2011年9月3日

摘 要

本系统以ATmega128为主要控制核心，系统主要由DC/DC变换电路、恒流源控制电路、D/A数模转换模块、电流电压测量模块、电源模块、显示模块、过流过压保护模块等，DC/DC变换采用简单的Buck变换电路，恒流源控制系统采用集成运算放大器构成的具有深度负反馈的数字可控直流源。

关键词：Buck电路 电流控制 D/A 开关电源 并联

Abstract

This system take ATmega128 as the primary control core, the system mainly by the DC/DC transfer network, the constant current control circuit, the isolation module, the D/A digital-analog conversion module, the electric current voltage measurement module, the power source module, the display module, the overflow overvoltage protection module and so on, the DC/DC transformation uses the single end to stir up-like the transfer network, the constant current control system uses the integration operational amplifier to constitute has the depth negative feedback digital controllable cocurrent source.

一、 方案比较与论证

整个系统可以划分为控制模块、DC/DC降压模块、电流控制模块、电压控制模块、隔离模块、电源模块、显示模块、D/A转换模块、电压电流测量模块、过压过流保护模块等辅助模块。

为实现不同功能，我们设计了几种不同的方案并进行论证。

图 1.1 系统方框图

1.DC-DC降压模块的论证与选择

方案一：反激变换器，该拓扑通过改变PWM的占空比，既可以实现升压，也可以实现降压，拓扑本身能防止电流倒灌，而且结构比较简单，成本也稍低。由于此电路在小功率情况下工作时，变压器的漏感和肖特基二极管的损耗相对较小，所以效率也比较高，但是在频率很高时回路中的电流连续，容易使磁芯内磁通所在周期的重复逐次增加，导致磁芯的饱和。 方案二：推挽式（变压器中心抽头），这种电路的特点是：对称型结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通段。高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、输出功率大，两管基极均为低电平，驱动电路简单。如果电流不平衡，变压器有饱和的危险，变压器绕组利用率低对开关管的耐压只要求比较高（至少是电源电压的两倍）。

方案三：Buck型DC-DC降压斩波电路，这种电路容易实现，如图所示：

+Uin-图1.2 Buck降压斩波电路

Uo

方案比较：方案一技术成熟，但由于电路结构上的原因，很难调试，方案二干扰

较小但是较难达到较高的指标且变压器有易饱和的危险，方案三结构简单，调试方便，控制简单。所以采用方案三。 1.2电流均流控制的选择

方案一：采用软件闭环控制方式。键盘预置电流值，经单片机处理后送入DAC将其转换为电压信号从而控制输出电流。采样电路采集实际输出电流值，再经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较并通过适当的控制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环控制系统。

方案二：采用硬件闭环控制方案。硬件闭环稳流的典型电路如图1.3 所示，采用单片机来控制集成运放反馈型的电流源，使其电压电流和负载电阻匹配，通过调节负载即可实现。集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态只要外接几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用作恒流源，通过负反馈的作用，使加在比较器两端的电压相等，从而保持输出电流的恒定。

图1.3 闭环稳流电路图

基准电压可以有手动调节，也可以采用单片机经过DAC提供，给定不同的基准电压，从而恒定不同的电流值。方案一最大的问题是：若输入电源电压或负载发生变化，都需要经过一段时间调整后才能使电流稳定。

方案选择：方案二硬件电路不仅简单而且又能快速得实现稳定的电流输出，故本系统采取方案二。 1.3均流方案的论证

由于该系统是由两路DC/DC输出构成的并联电源系统，来增大输出电流和输出功率。开关电源要实现并联就必须解决功率分配的问题，即均流技术的实现。该系统每一条支路都可以等效为一个电压源和一个电流源的并联，总系统相当于两个恒流源的并联。开关电源并联系统中最常用的方法有外部特性下垂法、主从电源法、按平均电流自动均流法，此外还有专门为并联均流设计的控制芯片，这些方法重点是提高并联系统的均流度，对于和负载一起组成的系统其输出电流控制基本属于开环状态，一旦负载发生变化，其输出总电流也会发生变化，不能满足恒流输出的要求。为了满足输出电流在一定范围内可调并且能够提供人机交互界面，本电源并联系统中采用以单片机ATmega128为主控芯片的控制器，提高了可操作性。为了提高反馈电路的信噪比，采用4个0.1欧/10W的取样电阻，两

两串联再并联，来采集输出总电流的大小，转换成电压，送入单片机的AD，单片机根据采样回来的总电流进入不同的模式自动分配电流比。连接电路如图1.4所示。

图1.4 均流方案的实现

1.4测量电路的选择

由题意可知电压要测输入U、输出电压U，电流要测输入电流I 、输出电流I、两路电流I、I，测量电压我们选择电阻分压后再经过单片机的A/D转换，即可得到电压值。输入电流I 、输出电流IO，利用专门的芯片侧电流芯片ACS712，利用霍尔效应把电流转化为电压，它们的关系是线性的，通过电压就可测得电流，两路电流I、I通过检测小电阻两端的电压来实现，通过I?U/r，即可得到所测电流值。

二、系统理论分析 2.1总体方案的分析

题目要求直流输出电压一直保持在8V，而输出电流在变，负载电阻也在变，这样我们就能通过U?I?R,调节电流使电流I符合题目要求，调节电阻，电压不变。

系统设计框图如图2.1所示，输入电压经DC/DC转换，输出经过两路恒流源电路。两路电源并联为负载供电。单片机控制系统的供电由DC/DC稳压输出线性电源提供5V的电源。恒流源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能，用户通过键盘设定输出两路电流的比例，由MCU处理经 DAC转换为控制电压，分别送入两路恒流源从而控制两路输出电流的大小。同在LCD上显示系统的相关信息。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dq2d.html