# 2011年全国大学生电子设计大赛A题论文--开关电源

2011 年全国大学生电子设计大赛

2011 年全国大学生电子设计大赛论文 【本科组】 开关电源模块并联供电系统设计报告

2011 年 9 月 3 日

Abstract：
This circuit design is based on the widely used in small power and a variety of electronic equipment in the field of switching power supply. It is a design of switch power supply in parallel system, can provide 8V constant voltage. And its power can reach 16Watt. At the same time, it can according to the requirements of the two current proportional distribution. It uses a voltage source to control the output voltage, a current source compensating current method, the voltage across the load and the current through the load control.

Key Word：
switching power supply，Parallel power supply，constant voltage output, fixed ratio current division

1

2011 年全国大学生电子设计大赛

1．设计任务(或设计题目)与要求(或技术指标)............................................................................ 1 1．1 设计任务（见附录 1） ................................................................................................... 1 1．2 技术指标（见附录 1） ................................................................................................... 1 1．3 题目分析.......................................................................................................................... 1 2．方案比较与论证......................................................................................................................... 1 2．1 各种方案比较与选择 ...................................................................................................... 1 开关电源电路控制方案比较： ....................................................................................... 1 过流保护方案比较： ....................................................................................................... 2 方案选择：....................................................................................................................... 3 2．2 方案证论.......................................................................................................................... 3 3．系统硬件设计............................................................................................................................. 4 3．1 系统的总体设计 .............................................................................................................. 4 设计思想：....................................................................................................................... 4 设计步骤：....................................................................................................................... 4 3．2 单元电路的设计及参数计算 .......................................................................................... 5 电压源模块： ................................................................................................................... 5 电流源模块： ................................................................................................................... 5 主电路设计： ................................................................................................................... 6 3．3 发挥部分的设计与实现 .................................................................................................. 7 3．4 电路原理图(见附录 2) .................................................................................................... 7 4．系统软件设计............................................................................................................................. 7 4．1 程序总体流程图 .............................................................................................................. 8 4．2 各个功能模块流程图 ...................................................................................................... 9 过流保护模块： ............................................................................................................... 9 基本功能模块： ............................................................................................................... 9 扩展功能模块： ............................................................................................................. 10 4．3 程序清单(见附录 3) ...................................................................................................... 10 5．系统调试................................................................................................................................... 10 5．1 电路的测试方案(方法) ................................................................................................. 10 5．2 测试仪器........................................................................................................................ 11 5．3 测试结果（基本要求测试） ........................................................................................ 11 5．4 发挥部分的测试 ........................................................................................................... 12 6．系统电路存在的不足和改进的方向与结论 ........................................................................... 13 7.附录.............................................................................................................................................. 14 附录 1 设计任务 .................................................................................................................... 14 附录 2 主电路板电路原理图 ................................................................................................ 16 附录 3 部分程序清单 ............................................................................................................ 17 附录 4 元件清单 .................................................................................... 错误！未定义书签。

1．设计任务(或设计题目)与要求(或技术指标)
1．1 设计任务（见附录 1） 1．2 技术指标（见附录 1） 1．3 题目分析 开关电源电路是电力电子电路中的一种， 被广泛应用在小功率及各种电子设 备领域， 顾名思义， 开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源， 对于 DC/DC 电路，可以变换的主要对象是电压和电流。在这道题目中，要求使 用两块开关电源模块并联形成供电系统，输出电压稳定在 8V，电流比例可调节。 这道题的难点在于实际操作中开关电源不能同时控制输出电压和电流， 但既要电 压稳定输出，又要电流成一定比例，所以考虑使用两个开关电源，一个做恒压源 稳定电压，一个做恒流源补给电流，以使负载电流满足给出的标准。电路设计的 的工作就分解为检测分路电流和控制单点电压。

2．方案比较与论证
2．1 各种方案比较与选择 开关电源电路控制方案比较： 方案一：使用 LM2596 开关电压调节器芯片设计两路开关电源，一路开关电源 通过反馈使输出电压 U O 能够稳定为 8V 作为恒压源；另一路开关电源，通过采 样电流跟随放大再跟随，作为恒流源输出恒定电流。为了使开关电源的输出电流 可调， 采样后用电子电位器通过单片机调节电阻值影响反馈值， 调得所需的电流。 工作过程为：电路接通后电压源稳定输出为 8V，通过键盘输入给单片机信 号，使电子电位器输出固定值并作为反馈影响 LM2596 的输出电压，使此路电流 源作为电路补偿输出恒流值并使电路电流满足指标要求。
1

R

R 2R 3R 4R

2

GND

Vin

LM2596

MAX4172 跟随 放大 跟随

? 1 : 1 ，则通过单片机给

MAX4217 的 SI 管

3

? 1 : 1 ，符合题目要求。

3．系统硬件设计
3．1 系统的总体设计 设计思想： 本系统是一个可应用的并联供电系统，设计思想符合如下几条标准： 1.尽量采用简洁可靠的软硬件环境，程序流程力求简单明了，从而充分利用现有 资源，提高系统开发水平。 2.系统硬件电路模块化，便于硬件测试和电路查询。 3.系统程序设计模块化，便于系统功能的各种组合和修改。 设计步骤： 1.分析系统需求，既要求稳压输出，又要求支路电流比例可调，所以本系统的设 计核心简化为一个电流源和一个电压源。 2.对电压源模块进行设计，为了减轻程序调节闭环的压力，选定一款耐压 24V 自 带反馈的稳压芯片 LM2596，参考 datasheet 的标准设计电路进行电路设计。 3.对电流源模块进行设计，选用同上的芯片，为了对电流值进行采样，选用美信 公司的 MAX4172 芯片对电流进行固定十倍精确放大， 并用运放进行进一步放大， 为了系统稳定采用运放在放大前后进行正向跟随后， 得到电压经过电阻分压后反 馈回稳压芯片，从而对电流进行控制。

4

3．2 单元电路的设计及参数计算 电压源模块： 参考 LM2596 的 datasheet 中应用实测电路图，输出电压的计算可由下式给出：
V O U T ? V R E F (1 ? R2 R1 )

， 其中

V REF

=1.23V，

R 2 ? R1 (

VOUT V REF

? 1) ，

C IN

---470μF/35V

C OUT

----220μF/35V
C3

R1----1K ----可以不焊

D1----5A/40V IN5825

L1---68μH

5

U out U in

? 1?

R2 R3

=11

U ' ? 0 .0 5 ? 1 0 ? 1 1 ? I
R1 R1 ? R ' ? 1 .2 3 5 U '

，且 I

? 0 .5 A ? 2 A

R ' 范围是

0~9K，为了保证数字电位器工作在线性区域，取 1~8K 作为工作区域

6

3．3 发挥部分的设计与实现 在以上电路基础上，增加单片机的键盘输入，可以对电流比进行设定，通过 单片机的计算来控制数字电位器的阻值，调整反馈段分压比，反馈回 LM2596， 即可实现电流源任意比例电流输出，配合电压源稳压 8V，使得整个系统能够稳 定输出 8V，且任意比例调整支路电流。经过理论计算和实际测量，电路的效率 在主电流 1A 时可以达到 80%以上，主电流 4A 时可以达到 65%。 3．4 电路原理图(见附录 2)

4．系统软件设计

7

Y

N

N

Y 按指定比例输出 按 1:1 输出 2A

8

4．2 各个功能模块流程图 过流保护模块：

N 基本功能

Y 减小电流源输出

N

Y 调节电流源输出电流

Y 调节电流源输出电流

N

9

4．3 程序清单(见附录 3)

5．系统调试
5．1 电路的测试方案(方法) 由于系统对电路效率有一定的要求，所以需要测量输入端、输出端电压、电 流，方便检测支路电流比，需要对支路电流进行检测。根据电路的示意图，从电 路中各点引出接线端子，电压测量可以直接在被测点两端并联，用来检测并记录 分析供电系统各个指标。

Iin 稳 压 源

Io 负 载 Uo I2

Uin 电流源

10

5．2 测试仪器 直流电压测试采用数字万用表，型号：Fluke/289，测试精度：0.01V 直流电流测试采用数字万用表，型号：Fluke/289，测试精度：0.01A 输出波形纹波测试采用数字示波器，型号：PY010-DS1104B 输出电压及电流波形测试采用模拟示波器，型号：JEA3BS38-CS5400 电源提供采用稳压源，型号：XD1713，测试精度：0.1V 5．3 测试结果（基本要求测试） （1）系统额定工作状态

（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率

U O ? IO U I ? II

U O ? IO U I ? II

=82.61%

（3）稳定输出电压为 8V，输出电流之和 I O 录三次测量）

? 1 .0 A

，按 I 1 : I 2

? 1 : 1 定比分流（记

U I =24.0V UO IO
I1

I I =0.43A

I2

I I 误差

I 2 误差

8.01 8.00 8.00

1.00 1.00 1.00

0.50 0.50 0.50

0.50 0.50 0.50

0 0 0

0 0 0

11

U I =24.0V UO IO
I1

? 1 .5 A

，按 I 1 : I 2

? 1: 2

I I =0.63A

I2

I I 误差

I 2 误差

8.01 8.00 8.01

1.51 1.50 1.50

0.50 0.50 0.50

1.01 1.00 1.00

0 0 0

0.01 0 0

I O (A)

I 1 (A)

I 2 (A)

i1 绝对误差 0.037 0.084 0.05 0.04 0.013 0.010 0

i2 绝对误差 0.018 0.170 0.05 0.013 0.04 0.006 0

I in (A)

12

1.6 1.6 2 2 2 2.48 2.48

0.51 0.98 0.95 0.52 1.48 0.98 0.49

1.09 0.62 1.05 1.48 0.52 1.5 1.99

0.67 0.67 0.82 0.85 0.85 1.01 1.04

2.48 2.48 3.1 3.1 3.1 3.52 3.51 3.45

3: 2 4: 1 1:2 1: 1 2:1 3:4 4:3 1:1

1.48 1.96 1 1.57 2.07 1.52 2.02 1.75

1 0.52 2.1 1.43 1.03 2 1.49 1.7

0.007 0.015 0.029 0.013 0 0.007 0.005 0.015

0.01 0.061 0.014 0.077 0 0.005 0.007 0.014

1.02 1.04 1.25 1.26 1.29 1.41 1.43 1.4

0.810458 0.794872 0.826667 0.820106 0.801034 0.832151 0.818182 0.821429

6．系统电路存在的不足和改进的方向与结论
1. 系统采样时间长，在 DC/DC 的变换方式中，逆变换向是需要时间的，输出电 流越大需要时间越多，大电流输出能力也差。而且在任何负载下，输出电压的质 量也不高，纹波噪声比较低。 2.系统稳定性不够，在低压大电流输出时，它的纹波和噪声抑制能力受到限制。 3.恒流源部分通过两级放大两级跟随，两级跟随反馈给 LM2596 的四号管脚采样 电阻的信号量可以通过给定的电流值串联电阻与反馈端并联，可以简化反馈电 路。参考电流由 PWM 波经过电容电阻产生。 4. 发现低端采样出现 AD 转换不呈线性变化，究其原因，所接的地是一个平面， 受到的外界干扰大，导致输出纹波大。将低端采样换成高端采样，即对电阻两端 电压进行采样，可以有效降低外界干扰，从而使输出稳定。 5.电流变化速度很快， 单片机的采样频率有限， 不能及时跟上变化引起采样误差， 所以通过增加同相一级跟随后再输入单片机， 同时也在一定程度上降低了输出纹 波。

13

7.附录

1．2 技术指标 1.基本要求 （1 ）调整负载电阻 至额定输出功率工作 状态，供电系统的直 流输出电压
U O = 8 .0 ? 0 .4 V

（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60% 。 （3）调整负载电阻，保持输出电压 U O = 8 .0 ? 0 .4 V ，使两个模块输出电流之和
I O ? 1 .0 A

，且按 I 1 : I 2

? 1 : 1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差

I O ? 1 .5 A

，且按 I 1 : I 2

? 1: 2

14

? 1 : 1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝

15

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17

----------------------------*/

MCUCR = 0x00; EICRA = 0x00; //extended ext ints EIMSK = 0x00; TIMSK0 = 0x00; //timer 0 interrupt sources TIMSK1 = 0x00; //timer 1 interrupt sources TIMSK2 = 0x00; //timer 2 interrupt sources PCMSK0 = 0x00; //pin change mask 0 PCMSK1 = 0x00; //pin change mask 1 PCMSK2 = 0x00; //pin change mask 2 PCICR = 0x00; //pin change enable PRR = 0x00; //power controller SEI(); //re-enable interrupts SEI(); } /****************************************************************************** void SystemStart(void) { //cur=GetAndDisplayData(0,3); //SetVariable(cur); unsigned char num=0,i=0,a,b,key=0,flag=0; unsigned int Evoltage1,Ecurrent; unsigned long count=0; Delay_ms(10); while(1) { Evoltage1=caiyang(); Ecurrent=Evoltage1*101/100; Ecurrent=Ecurrent*102/109-40; while(Ecurrent>440) { DDRD|=(1<<3); PORTD |=(1<<3); SetVariable(0); Evoltage1=caiyang(); Ecurrent=Evoltage1*101/100; Ecurrent=Ecurrent*102/109-40; }
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switch (key) { case 0: Evoltage1=caiyang(); Ecurrent=Evoltage1*101/100; Ecurrent=Ecurrent*102/109-40; if(Ecurrent<170) { MCP_16_Write(table[3]); } key=GetAndDisplayData(0,0); break; case 1: Evoltage1=caiyang(); Ecurrent=Evoltage1*102/100; Ecurrent=Ecurrent*102/109-40; if(Ecurrent<390) { if(PIND&0X80) { PORTD&=~(1<<3); count=0; Evoltage1=caiyang(); Ecurrent=Evoltage1*101/100; Ecurrent=Ecurrent*102/109-40; num=Ecurrent*a/(a+b); DisplayData(0, 3,Ecurrent); if(Ecurrent<=250) SetVariable(num+1); if((Ecurrent>250)&(Ecurrent<300)) SetVariable(num+1); if(Ecurrent>300) SetVariable(num); Delay_ms(50); } else { a=GetAndDisplayData(0,0); b=GetAndDisplayData(0,0);
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DisplayData(7, 7,a); DisplayData(6, 6,0); DisplayData(5, 5,b); } } else { SetVariable(203); Evoltage1=caiyang(); Ecurrent=Evoltage1*101/100; Ecurrent=Ecurrent*102/109-40; count++; } break; } }} void SetVariable(unsigned char cur) { unsigned char MCP_num=0; MCP_num=cur-49; MCP_16_Write(table[MCP_num]);} unsigned int caiyang(void) { unsigned int voltage,i=0,Evoltage=0; for(i=0;i<20;i++) { voltage=mega88_ad0(); Evoltage+=voltage; } Evoltage=Evoltage/20; return Evoltage; }

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