开关电源模块并联供电系统设计报告

1开关电源模块并联供电系统设计报告参赛编号：6111080120摘要：本文介绍了以单片机AT89C52、光电脉宽调制器芯片TL494核心通过用单片机控制调节PWM的方法，实现单片机控制的DC-DC开关电源电路系统;以下垂法实现两个DC/DC子模块的均流；以及由数模转换芯片ADC0804等构成反馈以得到精确的电压输出的电路系统。由于单片机的电压不稳以及带负载能力不强，所以还包括单片机到DC－DC开关电源之间的稳压以及低通滤波的设计，ADC0804芯片外围电路设计，以及相关的调试与测试方法。关键词：DC-DC；开关电源；均流；开环控制；闭环控制ABSTRACTTheDC-DCswitchcircuitsystembasedonthesinglechipAT89S52,pluswidethmodulationchipTL494ismainlyintroducedinthisreport.AcircuitbetweensinglechipandtheDC-DCsystemisaddedtostabletheinputvoltagefromthesinglechipandtoincreasetheloadingabilityofit.Besides,afeedbackcircuitusingADC0804isintroducedtoconstractaclosedloop,whichensurestheDCoutputisaccurateenough.Methordsfordesigningandtestingarealsoincludedinthepartsthatfollow.KEYWORDSDC-DC；SwitchPowerSupply；averageelectricity;Open-loopControl；Close-loopControl目录一、系统总述....................................................................................................................................二、DC-DC开关电源子系统.................................................................................................三、开关电源并联运行及其均流技术.............................................................................四、控制子系统..............................................................................................................................五、数据采集...................................................................................................................2六、控制系统程序源代码...............................................................................................七、实验仪器...................................................................................................................八、参考书目3一、系统总述系统组成图1系统组成示意图二、DC-DC开关电源子系统10~30VDCPWM2.5Vref5~10VDCLRSVDC-DC开关电源模块图2.2DC-DC开关电源子系统2.1.1DC-DC开关电源子系统1.DC-DC变换主要实现功能是把不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压。2.输入电压Vi为20-30V,输出电压Vo为5-10V。由积分器产生的占空比可调的PWM信号输入到三极管T的基极。2.1.2DC-DC开关电源子系统的硬件设计1．DC-DC开关电源子系统由TL494、开关管、储能电感及分压输出电路组成。2．TL494通过比较器对输出电压的采样进行比较放大来控制脉冲宽度，进而控制开关三级管的通断，实现脉冲宽度调制（PWM）。3．开关三级管通路时，电源对电感充电；开关三级管截止时，储能电感进行放电，从而得到持续稳定的输出电压。4．整个系统的电路结构如图3-1所示：4图3-1DC-DC开关电源系统结构框图2.1.3Vi和Vo的关系表3-1输入输出指标2.2.1DC-DC电路性能指标2.2.2TL494管脚配置及其功能图3-2TL494管脚图52.2.3TL494工作原理及应用TL494为本次产生PWM信号的核心器件，对其性能的认识在实验中有重要影响。TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。其框图见图3-3及其应用见图3-4.6图3-3TL494工作原理图图3-4TL494的应用2.2.4DC-DC开关电源子系统的硬件电路实现电路设计见图3-5。7R12R14R11R13C5C4R2R1C1R9R6R8R4R3C2C3R7R5a11a223a34a4b1b2b3b45678Vcc10GND0AKR10RLa11a223a34a4b1b2b3b45678GND0a11a223a34a4b1b2b3b45678Vcc1012345678910111213141516inVinV图3-5DC-DC开关电源子系统的硬件设计三、开关电源并联运行及其均流技术1.开关电源并联运行及其均流技术方案比较根据并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法可归成两大类：下垂法和有源均流法，下垂法为模块之间只有输出端导线相连;有源均流法除了连接输出导线外，还用均流母线把各模块连在一起。1.1下垂法下垂法（又叫斜率法，输出阻抗法）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。由图1（b）可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。选择不同的电流反馈信号注入点，可以修正控制环路的反馈电压值或基准电压。图2（a）为采用调节基准电压来改变电压参考值的方式下所对应的外特性曲线图。可见电压参考值的差异越小，均流效果越好。图2（b）为采用调节反馈电压值来改变斜率的方式下所对应的外特性曲线图。外特性斜率越陡，均流效果越好。8图2（a）调节基准电压图2（b）调节反馈电压常用的下垂法均流控制框图如图3所示。Vi为电流放大器输出信号，与模块输出电流成比例Ki，Vf为电压反馈信号，显然V-=Kv×Vo+Ki×Io，当某模块电流增加时，Vi上升，Ve下降，通过反馈使该模块输出电压随之下降，即外特性向下倾斜，接近其他模块的外特性，从而其他模块电流增大，实现近似均流。电压误差放大器E/A具有很大的直流增益Ko，假设Ko→∞时，Vo=Vref/Kv-IoKi/Kv=Vomax-IoKi/Kv，改变电压环电流环的参数可以获取期望的外特性。图3下垂法均流控制框图下垂法的特点可归纳如下：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。1.2有源均流法有源均流法是均流方法中的一大类别，其特征是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9元。在基本单元外设计控制结构和母线连接方式，形成各类有源均流法，如主从法、平均电流法、最大电流法等。本实验由于客观因素采用下垂法。图4三种控制结构均流母线连接方式指如何从所有的模块中获取公共电流参考信号，表明了模块间的主从关系。图5显示了三种均流母线的连接：自主配置、平均配置和指定配置。自主配置（图5a）中，各个模块和母线之间通过二极管连接，只有具备最大电流的模块对应的二极管才能导通，均流母线上代表的是最大电流信号;平均配置（图5b）中，各个模块和母线之间通过参数完全一致的电阻连接，均流母线上代表的是平均电流;指定配置（图5c）中，只有人为指定的模块直接连接均流母线,成为主模块。10图5三种均流母线连接方式系统总述四、控制子系统4.1电压控制子系统实现的原理单片机输出一个5V的电压，并且通过单片机控制面板上面的按键通过程序的控制来实现单片机输出的直流信号也能够调节占空比，即PWM信号。但是由于单片机的输出电压不稳定，而且带负载能力差，所以必须经过稳压管以及反相器的整流电路，使得输出的PWM信号编程高电平稳定的4V电压，再通过低通滤波器出来一个电压可以随着PWM占空比可调的直流信号，然后经过光电耦合器通过改变光耦的电阻作用于DC－DC开关电源。低通滤波器单片机PWM直流限流电阻光电耦合器11R12R13R14RDCoutVmVCEonionV图4－1电压控制子系统的硬件电路图4.2电路功能分析4.2.14011稳压管器件连接如图4-2所示。11图4=24.2.2有源低通滤波器实验中的有源低通滤波器实现是以通用集成运算放大器741作为主要元件，辅以其他分立元件，组成二阶巴特沃兹滤波器。目的在于将反相器输出的稳定PWM波形中的直流分量出来，并且滤除任何交流高次谐波。由于我们知道，方波中的直流分量与占空比的关系为Vctl=VH*η。（其中）VH表示的是方波的高点平电压。根据这一关系，我们就可以实现通过改变单片机小系统输出的占空比变化来调整所需要的直流电压。而且由于经过了前一级的电压稳定电路，此时输出的直流电压与占空比之间的关系应该是确定而且稳定的。具体的电路连接图如图4-3所示。图4-3二阶有源滤波器电路图有源低通滤波器的滤波特性为：2)(31)2/1(1)(sRCsRCRRsAuR1、R2与滤波器截至频率的关系：假设R1=R2=R，则ωc与R值呈反比关系。增大R的值，可以使ωc下降。当PWM方波的频率较低时，选择的R值太小，有可能使ωc大于方波的低次谐波分量，从而输出的电压就会包括了除直流分量以外的交流分量，而使输出不是严格精确、稳定的值，将直接影响后级的电压控制部分的精度和稳定度。最终经过实验验证，对应我们的单片机程序，R的值改为30KΩ，即可保证输出电压只含有直流分量在其中。124.3闭环控制电路当受到外界扰动时，开环控制系统本身无法消除输出量产生的偏差。闭环控制可以消除偏差，减弱由于扰动带来的影响。0～5V的反馈信号，通过有源简单二阶低通滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后送给TL494的误差放大器I的IN+同相输入端。反馈信号和设定信号通过TL494的误差放大器I进行比较放大，进而控制脉冲宽度，这个脉冲空度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大器构成的隔离放大电路进行平滑和放大处理，输出一个与脉冲宽度成正比的、变化范围为0～10V的直流电压。这个电压控制执行电路，及时调整被控制量，使被控制量始终与设定值保持一致，形成闭环单回路控制。当反馈信号大于设定值时，通过TL494的脉宽调制作用，其9脚与10脚并联输出信号的脉宽减小，再经整流滤波电路及隔离与放大输出电路，使最后输出的直流控制信号的电压相应下降。直流控制信号通过控制电路经执行机构使被控制量下降，再进而通过传感器使反馈信号降低，形成单回路闭环控制。当反馈信号