优秀毕业设计（基于DSP双并联恒压电源 论文）摘要

湖北理工学院2012屆优秀毕业设计(论文)

基于DSP的恒压双并联模块电源的设计

教 学 院：电气与电子信息工程学院 学生姓名：董超 专业班级：电气工程及其自动化专业08（1）班 指导教师：马学军 教授

摘要：随着模块化电源系统的发展，开关电源并联技术的重要性日见突出。这里介绍了一种基于DSP的恒压双并联型高频开关模块电源的系统设计方案。其中，对开关电源的双Buck并联电路、驱动电路、控制电路、检测电路、保护电路及主要磁元件进行优化、设计。控制电路以dsPIC30F4011为核心，构成电流内环、电压外环的双闭环控制模式，并实现系统稳压和均流。通过小信号模型分析，对电压、电流环的PI调节器进行设计。实现了系统输出电流在500mA-4A范围内可自动分配或者手动任意预制两路DC-DC模块的电流比大小。

关键字：双并联 dsPIC30F4011 PI调节器 均流

The design of constant voltage dual parallel

module power based on the DSP

Abstract：With the development of the modularizing power supply system, the importance of parallel switching power supply technology becomes more and more outstanding. This paper introduces a kind of systemic design plan with constant voltage and double parallel high frequency switching modularizing power supply based on DSP. And it has optimized and designed the switched power double Buck parallel circuit, drive circuit, control circuit, detection circuit, protection circuit and main magnetic elements. It puts dsPIC30F4011 as the core of Control circuit, then constitutes a double closed-loop control model in inner loop of current and outer loop of voltage, which contributes to stabilizing the voltage and the current of the system. Through the analysis of the small signal model in this paper, it designs the PI regulator of the voltage and current loop, which achieved that the system can distribute automatically or prefabricate current of two DC-DC module arbitrary and manually to compare to each other when its output current remains in the range of 500 mA-4 A.

Key word: double parallel，DSP2812，the PI regulator，Current Equalization

1 绪论

论文的研究目的在于对具有高可靠性和稳定性的电源的探索。由于，目前高精度仪器设备在各行各业大量使用，一些设备对恒压电源的稳定性和可靠性提出了更高要求，电源的好坏优劣可以影响仪器的正常工作，如误差增大、灵敏度下降、显示不稳定等；电源的不稳定问题可能对昂贵仪器设备造成致命的影响，降低设备利

用率，提高维修成本、管理成本等。因此，研究具有高可靠性和稳定性的电源很有必要性。而且通过对本课题研究，我还可更好掌握电源PWM控制技术、双直流电源并联均流技术，了解电源并联系统特性和在数字控制的基础上采用DSP控制芯片，设计恒压双并联模块电源系统，使整个系统稳定、有效的运行。

研究内容:

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（1）建立直流电源并联系统，输入直流电压24V，

满足负载电阻变化时，直流输出电压为

数字PI算法对输出PWM波占空比进行调节从而控制输出电压电流。与此同时，根据采集到的电流大小，DSP可对电路进行实时监控实现过流保护功能。最后，在完成各项功能的同时，为了尽可能的提高电源的效率，在电路结构和器件的选择上尽可能的降低功耗。

控制系统采用电压电流双闭环控制，由dsPIC30F4011发出随反馈调节变化的PWM波实现全数字化控制，控制原理图如图2-1所示:

Uo?8.0?0.4V，且使负载电流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）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%。

（3）具有负载短路保护及自动恢复工作功能，保护阈值电流为4.5A 。

拟解决的关键问题:

（1）针对双电源并联中的均流问题设计相应的并联控制方案。

（2）在综合考虑各模块的基础上，提出本并联电源

图2-1 控制系统结构框图

系统的控制方案及相关参数的选取。

本系统通过DSP发出PWM驱动N沟道MOS管

2 硬件电路设计

2.1 整体设计思路

脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width

FQB19N20构成BUCK斩波电路进行DC-DC转换。系统对负载的电压进行采样并运用反馈调节的方式控制BUCK电路实现恒压，从而稳定输出电压；对流过Buck1电路与Buck2电路的电流进行采样并运用反馈调节方式控制

Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理

其实现恒流；同时DSP对负载电流进行采样按分流比例

器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的

计算后通过PWM控制BUCK电路，从而实现按比例分流。

技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多

并实时监测负载的电流，并实现短路保护功能。两电源

领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制

的输出电流通过水泥电阻采集，再经过信号调理电路后

晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

本设计首先是制作两个输出电压稳定的DC-DC变换器，然后通过对电路中的电流电压进行检测并将检测的结果送给DSP处理。一方面DSP将采集到的电流电压信号显示在液晶屏上，另一方DSP根据采集到的信号通过

电路系统中还包含很多硬件保护电路：输入过流保送到DSP的AD采样口进行转换，得到反馈信号Vf与

If。电压参考给定信号Vref与Vf比较得到误差信号

Verr , Vout通过电压PI调节器调节后作为电流环的给

定信号Iref；

Iref与电流反馈信号If比较得到误差

信号Ierr，再通过电流PI调节器后调节PWM脉宽的占空比，所得驱动信号经过隔离电路后控制开关管的动作。

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护、欠压保护、过载保护，在软件设计中也有相应的软件保护。

2.2.2 保护电路设计

过流保护及自恢复分析：DSP实时采集输出电流的大小,然后与过流保护阈值比较，当采集的电流大于电流

2.2 辅助电路设计

阈值时，单片机停止输出PWM使DC-DC模块停止工作，

2.2.1 检测电路设计

然后以一定时间间隔后采用试触法采集输出电流，当采

电压检测:该系统的电压检测比较简单，只需一个

集的电流低于阈值电流时，则DSP按上电时刻设定的占

电阻分压网络和一个电压跟随器便可实现，通过调节电

空比输出PWM使DC-DC重新工作。过流保护硬件电路如

位器便可设置采样电压与输出电压比，这里设置采样电

图2-4所示，两路电流采样调整后信号经加法器输出滤

压为2V对应输出电压为8V。输出电压先经电阻R17与

波再与设置好的4.5V电压进行比较，若大于4.5V（即

R18分压得1/3的输出电压，再经电压跟随器隔离并缓

大于4.5A）则经电压比较器输出电压为低电平，指示LED

冲前后级信号，得到电压再经电位器RPC1分压送给DSP

亮，并有过流保护信号输入给DSP处理；若小于4.5V

的AD采样口，并联电容起到消除文波作用，使DSP能采

则指示LED不亮。软硬件保护结合使用，增强了电路的

样到稳定电压值，其原理图如图2-2如下：

安全稳定性。

图2-2 电阻分压网络

图2-4 过流保护及报警指示电路

电流检测:根据系统的均流方案的要求，需对两路

2.2.3 驱动电路设计

DC-DC模块中的电流分别进行采集。由于两路DC-DC模

采用光电耦合器来隔离驱动Buck电路中MOS管，将

块是并联连接，采样模块需控制电路共地，所以采用输

DSP的PWM模块输出的5V/0V电平转化为15V/0V电平来

出负端串水泥电阻来采样电流，将电流量转化为电压量

驱动MOS管的栅极，从而控制开关管的开和断。过流保

检测，简单方便且成本低廉。采样得信号经运放处理后

护信号为低电平时，则封锁驱动。其接线图如图2-5。

输入DSP的AN3口，此次1V电压对应为1A电流。如图2-3所示：

图2-5 光耦隔离驱动电路

2.2.4 控制电路设计

图2-3 电流采样调整电路

核心控制器采用dsPIC30F4011芯片，芯片为+5V供

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电。系统时钟选用外部时钟，晶振频率为20MHz。引脚35和37发出两路独立的PWM波经驱动电路控制两路Buck电路中MOS管的通断，引脚9（RB7）外接一开关来控制整个系统的启停，引脚4、5、6作为电压和电流的AD采样端口。其PWM占空比由PDCx寄存器值和周期寄存器值决定，其控制电路原理图如图2-18所示：

一路电流反馈构成电流闭环来分流，其分流的电流反馈有K值决定，若0?K?1则Buck1稳压Buck2分流，

若K>1则Buck2稳压Buck1分流。从而使电流按比例1/K输出，其比值由参数K决定。其控制框图如图3-2所示：

图3-2 系统闭环控制原理图

3 算法及软件设计

3.1 数字PI控制器的数学模型及数字实现

随着数字控制技术在控制领域的广泛应用，自模拟PI控制器发展而来的数字PI控制器也形成了一种经典的控制结构，其数学模型可以从模拟PI控制器导出。

以电压闭环控制为例，通过后项差分法推导出数字PI调节器控制流程图如图3-1,变量名定义如下: 电压给定:Vref 电压反馈:Vf 输出电压:Vout 前一拍的误差量:e(k-1) 当前拍的误差量:e(k) 前一拍的控制器输出控制量:uc(k-1)

While 循环等待中断变量、IO端口、AD采样、PWM模块初始化系统控制程序采用C语言编写，C语言具有灵活方便、可移植性强等优点。

主函数流程图，在主函数中对各变量初始化，对I/O端口初始化，对PWM模块初始化，AD模块初始化，通讯模块初始化，初始化完后进入while循环，等待中断响应，并在等待过程中判断输出总电流是否大于4.5A，若过大则关闭系统并不输出驱动信号，再判断是否启动系统（RB7是1或0）。具体程序流程图如下图3-3所示：

开始当前拍的控制器输

出控制量:uc(k)

图3-1 数字PI控制器流程

否Flag_OV==1是Syson_off强制为低，PDC1=0，PDC2=0RB7==1是延时一段时间3.2 软件流程图

均流方法：DSP时钟频率高，执行速度快，从而满足了闭环系统快速响应的需求。AN2为输出电压Vout+采样端口,AN3为Buck1电流IO1_S采样端口，AN4为Buck2电流IO2_S采样端口。Vout+电压与IO1_S、IO2_S电流反馈之一够成电压电流双闭环来稳定输出电压，另

否RB7==1是Syson_off=1Syson_off=0 图3-3 主函数流程图

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进PWM中断AD中断流程图如图3-4，由内部计数器结束采样并

清PWM中断标志启动AD转换，进中断后关AD采样、关中断标志位，并

读AD计数器ADC_CNT加1保存ＡＤ采样值，再判断是有哪个AD口采得的数据，取

读AD采样采样值，并进行平均值数字滤波处理。从而，得到最终

ADC_CNT==1否采样值Ｖout+、IO1_S、IO2_S。然后判断两路电流和是否超过4.5A，若超过，则置过流保护标志为1。

进AD中断是读AD采样通道2，电压采样Vout值ADC_CNT==2是读AD采样通道3，电流采样IO1_S值否ADC_CNT==3关ADC采样是清AD中断标志位ADC_CNT清零，读AD采样通道3，电流采样IO1_S值否Syson_off==1是保存采样结果寄存器ADCBUF0中值否ADC_CHANNEL==2否否是ADC_CNT_CH2<16是是ADC_CNT_CH2 =0;DC_VO_S=VO_Temp/16;VO_Temp+=DC_VO, ADC_CNT_CH2++ 是ADC_CNT_CH3 =0;DC_IO1_S=IO1_Temp/16;IO1_Temp+=DC_IO1, ADC_CNT_CH3++ 否ADC_CNT_CH4<16是ADC_CNT_CH4=0;DC_IO2_S=IO2_Temp/16;IO2_Temp+=DC_IO2, ADC_CNT_CH4++ 否ADC_CNT_CH3<16是ADC_CHANNEL==4ADC_CHANNEL==3i==50是i=0，采Vf反馈，电压外环调节计算输出值Iref否K<=1是Iref作为电流环给定，采IO1_S,电流内环调节，输出PWM_V控制Buck1稳压PDC1=0,PDC2=0Iref作为电流环给定，采IO2_S，电流内环调节，输出值PWM_V控制Buck2稳压K倍采样IO1_S作为电流环给定，电流闭环调节输出PWM_I控制Buck2分流1/K倍采样IO2_S作为电流环给定，电流闭环调节输出PWM_I控制Buck1分流返回主函数

( DC_IO1_S + DC_IO2_S )>922图3-5 PWM中断流程图

是Flag_OV=1返回

图3-4 AD中断流程图

PWM中断流程图如图3-5，时基计数器寄存器PTMR中的值为零时产生PWM中断，进中断后关中断标志位，读AD采样值，判断给定比例系数K值范围，由大电流回路控制PWM占空比来稳压，另一回路分流；信号可交替驱动Buck1与Buck2，达到稳压分流目的。

参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wf46.html