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2011年全国大学生电子设计竞赛论文A题电源类


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) 【本科组】

2011 年 9 月 3 日





对于能将 24V 降压为 8V 的 DC/DC 电路,采用最为简单可靠的 Buck 拓扑 结构,控制芯片采用峰值电流控制性脉宽调制芯片 UC3845 该电路外接元器件 少,UC3845 的峰值电流控制可以对开关管进行过流保护,而输出电路的过流保 护则通过继电器来实现,控制灵活,成本低,输出电压稳定。对于均流电路,采 用 UC3902 芯片,该芯片是较为传统的均流芯片,精度高。

Abstract
to be able to 24V step-down to 8V DC/DC circuit,using the most simple and reliable Buck topology,the control chip peak current controlled PWM chip UC3842 fewer external components of the circuit,UC3842 can control the peak switch current tube-current protection,and output over-current protection circuit through the relay to achieve flexible control,low cost,output voltage stable.For the current sharing circuit,using UC3902 chip,which is the more traditional current-chip,high precision

I





1 系统方案........................................................................................................................................ 1 1.1 DC/DC 变换电路的论证与选择........................................................................................ 1 1.2 均流电路的论证与选择 .................................................................................................... 1 1.3 控制系统的论证与选择 .................................................................................................... 2 2 系统理论分析与计算.................................................................................................................... 3 2.1 变换器效率指标的分析 .................................................................................................. 3 2.1.1 选择合适的开关频率 ............................................................................................. 3 2.1.2 低功耗元器件的选取 ............................................................................................. 3 2.1.3 控制电路供电电源的实现方法 ............................................................................. 3 2.2 Buck 电路参数的计算 ....................................................................................................... 3 2.2.1 电感值的计算 ......................................................................................................... 3 2.2.2 电容值的计算 ......................................................................................................... 3 2.2.3 MOS 管型号的选择 ................................................................................................ 4 2.3 控制电路设计与参数的计算 ............................................................................................ 4 2.3.1 脉宽调制芯片 UC3842 的电路设计 ..................................................................... 4 2.3.2 均流芯片 UC3902 的电路设计 ............................................................................. 5 2.3.3 效率的分析与计算 .................................................................................................. 5 3 电路与程序设计............................................................................................................................ 6 3.1 电路的设计......................................................................................................................... 6 3.1.1 系统总体框图 .......................................................................................................... 6 3.1.2 电源.......................................................................................................................... 7 3.2 程序的设计......................................................................................................................... 7 3.2.1 程序功能描述与设计思路 ...................................................................................... 7 3.2.2 程序流程图 .............................................................................................................. 7 4 测试方案与测试结果.................................................................................................................... 8 4.1 测试方案............................................................................................................................. 8 4.2 测试条件与仪器................................................................................................................ 9 4.3 测试结果及分析................................................................................................................ 9 4.3.1 测试结果(数据) ....................................................................................................... 9 4.3.2 测试分析与结论 ...................................................................................................... 9 附录 1:电路原理图...................................................................................................................... 10 附录 2:源程序.............................................................................................................................. 11

II

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 变换模块、均流模块、控制模块、电源模块组成,下面分别论证这几个 模块的选择。

1.1 DC/DC 变换电路的论证与选择
方案一:采用隔离变压器进行 DC/DC 变换,单管它激式反激型直流变换器,效率约 为 80%。 方案二:采用 Buck-Boost 电路。该电路也可以实现降压功能,但是输出电压是负值, 而且他的应用电路稍微复杂。 方案三:采用 Buck 电路。Buck 电路是一种主要的降压型 DC/DC 变换拓扑,通过控 制开关器件 S 的占空比来控制输出电压,其拓扑结构简单,控制方便,输出功率大,具 有良好的输出特性。如图 1-1-3

图 1-1-3

其他拓扑形式还有 Cuk, Sepic, Zata 等,这些都可以实现降压功能,但是在实际应用 中电路均比较复杂,控制困难,不便于短时间内完成系统设计。 方案一可以实现题目 要求,但结构比较复杂、成本比较高。方案二的不仅输出为负,而且电路也比较复杂。 方案三不仅满足题目要求且相对方案一,结构更为简单,成本较低。 综合以上三种方案,选择方案三。

1.2 均流电路的论证与选择
方案一:下垂法

1

下垂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。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。 方案二:有源均流法 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 器的基本单元。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元。环内调整中均流环从电压环内叠加,均流环可以很好的 和电流环结合起来,整个结构简单,均流信号从环内注入,其带宽不受电压环的限制, 反应速度快, 均流母线的电压从电压调整放大器获得, 但容易引起噪声;双环调整中均流 环和电压环并行一起作用于基本单元。 方案三:最大均流法 最大电流均流技术由环外调整和母线自主配置相结合而成, 不改变模块基本单元的内部 结构,只需在电压环外面叠加一个均流环,各模块间接一条均流母线 CSB。Unitrode IC 公司开发的均流控制芯片 UC3902 正是基于最大电流自动均流的思想,简化了并联电源 系统的设计与调试,得到广泛应用。其数据手册指出,UC3902 在满载时均流误差达到 2%,满足实验要求 综合以上三种方案,选择方案三。

1.3 控制系统的论证与选择
方案一:运用函数发生器 8038 产生三角波,与 MCU 的 ADC 输出进行比较,可得 占空比可调的 PWM 波,MCU 的 ADC 输出来自于基于输出电压反馈的 PI 调节运算结 果。输出的 PWM 波经过 2103 后驱动 MOS 管。该系统由于用软件实现 PI 调节,因此, 要用到高速单片机,提高了系统成本和软件编写的难度。 方案二: 采用 UC3842 作为变换电路的控制芯片。 UC3842 是一种峰值电流控制型脉 宽调制芯片,价格低廉,广泛应用于电子信息设备的电源电路设计中。根据 UC3842 的 功能特点,结合 Boost 电路拓扑结构,完全可设计成电流控制型的升压 DC-DC 电路。 该电路外接元器件少,控制灵活,成本低,输出功率容易做到 100W 以上,具有其他专 用芯片难以实现的功能。另外,给定电压的稳定主要由硬件电路完成,实时性好,可靠 性高,不需要用到高速单片机,也降低了软件编写的难度。 方案一器件价格较贵,电路稍显复杂,性价比不高。方案二器件少,外围电路简单, 价格便宜,软件编写简单,且输出功率能满足要求。 综合考虑采用方案二。
2

2 系统理论分析与计算
2.1 变换器效率指标的分析
2.1.1 选择合适的开关频率 开关频率和 MOS 管的功耗有很大的关系,频率越高,产生的损耗越大。较低的电 路工作频率可以降低 MOS 管的开关损耗,但输出电压脉动会增大,因此应在允许的频 率范围内选择较低的频率。合适的开关频率大致处于 20KHz 与 60KHz 之间,本系统选 取开关频率为 25KHz,可以降低损耗。 2.1.2 低功耗元器件的选取 系统总的损耗中还包括各种元件的功耗。 只要在元件选取时注意采用低功耗器件, 则这一部分损耗对系统效率的影响可以减小到最小。例如,在显示部分,如果采用 LED 数码管显示,则功耗比较大。如果采用功耗比较小的字符型液晶显示器(如 EDM1602) 代替 LED 数码管显示器,则功耗可下降至 0.07W。另外,由于主回路控制器件 MOS 管 工作时流过的电流比较大,所以选取导通电阻比较小的 MOS 管将有利于降低损耗。例 如 IRF640 的导通电阻仅为 0.04Ω ,在 2A 工作电流下仅产生 0.16W 的通态损耗。 2.1.3 控制电路供电电源的实现方法
控制电路需要有+5V、+12V 和-12V 的电源。其产生的方式主要有两种,一种是利用线性稳压电 路,核心芯片采用 7805、7812 和 7912 等;另外一种是利用基于开关电源技术的控制芯片,如 2576 等。前者由于损耗比较大,故在本电路设计中采用后者。

2.2 Buck 电路参数的计算
2.2.1 电感值的计算: 根据题目要求, Uo=8V,而输入到直流母线上的电压 Uin=24V, R=20 欧姆, 取 Ts=1/f, f=25KHZ,当 D 取 1/3 时,可求得: L≥RTs(1-D)/2=20uH 由上式可知,要使系统电流工作在连续状态,电感值至少大于 20uH 本系统选择的电感值为 200uH, 并且通过选用铁芯使得电感在流过 3A 电流的时候 铁芯不饱和 2.2.2 电容值得计算 电容的大小决定负载电压的波动程度,因此负载的电压波动可作为选择电容的依 据。在 MOS 管导通期间,导通时间为 αT,负载电流靠电容放电得以维持。设在整个
3

MOS 管导通期间内电压变化Δ U,并假设负载电流 I 在此期间恒定,则电容电压亦即负 载电压下降了
?U ? 1 C I? T

根据上式可确定电容的数值,Δ U 与 I 和 ? 均有关,考虑在最严重的情况下仍能 保证电压的波动符合要求,电容的容量应满足
C ? I omaz
?
max

T

?U
I omaz

上式中,

为输出电流的最大值。

通过估算,电容的取值为 1000μ F。 2.2.3 MOS 管型号的选择 该电路中,MOS 管要承受的最大电压值为 24V,流过的电流最大值为 3A,而且, 开关整流电路效率的高低主要取决于调整管的调整效率, 而调整效率的高低取决于调整 管功率损耗的大小。我们考虑的型号是 IRF640 和 IRF540,IRF640 承受的最大电压值为 200V,承受的最大的电流值为 10A。IRF540 承受的最大电压是 100V,电流的最大值是 23A。经过实际测试,发现它们都能够满足要求,但是 IRF640 的功率损耗更小,所以采 用 IRF540 作为实际电路中应用的 MOS 管。

2.3 控制电路设计与参数的计算
2.3.1 脉宽调制芯片 UC3842 的电路设计 具体连接图如下:

4

2

2

4

4

V

V

1

R

1

R

0 8 5 Tap Res R 3

0

5

Tap

Res

R

K K 7

K K

2

4

R

2

R

4

R

2

R

7 9 6 4

0

7

0 1

0

K

0

K

K

K

0.01uF

C

0.01uF

C

5

1

3

C 3

C

0 6

0 2

p ISEN

p ISEN

f=1.75/RtCt
F F 8V2 5 1 3 2 5 1 3 2 UC3845AN U UC3845AN U G CMPEN ISEN VFB 1 G CMPEN ISEN VFB 1 N N D D RT/CT RT/CT VREF VREF O VCC O VCC U U

2.3.2 均流芯片 UC3902 的电路设计
8V1

芯片的振荡频率估算公式为:
T T


4 8 6 7 1 R10 5.1nF C 0 K 7 0.1uF C 9 IRF640 Q 2 MBR20100 D 2 2 Iron Inductor L 0 2 0 u H 8V2 1 Pol2 Cap C 0 ? 0 0 u F 0.1R/3W RS2 负 载

4

8

6

7

1

R

5.1nF

C

0 5

K

3

0.1uF

C

4

IRF640

Q

1

MBR20100

D

1

2

Iron

Inductor

L

0 1

0

u

H

8V1

1

Pol2

Cap

C

0 5

0

0

u

F

0.1R/3W

RS1

上式中 Rt 取 XX,Ct 取 XX,理论计算出来的频率值为 XX ,但由于电容值不准 确,实际值只有 XX。

2.3.3 效率的分析与计算 在 Buck 变换电路中,MOS 管的开关损耗不可忽视。MOS 管开通时的损耗主要包 括:MOS 管开通的时候开关两端等效电容(包括输出电容和缓冲电路电容 )放电形成容
o u t

5

性开通损耗,以及 MOS 管从截止到完全开通渡过放大区时形成的损耗。而 MOS 管关 断时的损耗产生的原因多种多样 ,但主要表现为:关断过程电流下降的延迟和电压的 过快上升,从而形成电压电流的交叠 ,产生很大的功率损耗。适当降低的电路工作频 率可以降低 MOS 管的开关损耗,因此应在允许的频率范围内选择较低的频率,可以提 高系统效率。合适的开关频率大致处于 20KHz 与 60KHz 之间,本系统选取开关频率为 25KHz。 假设 MOS 管的开通和关断的重叠时间相同,均为Δ t,则一个开关周期内 MOS 管 的平均损耗为:
PSW ? 1

TS

?

Ts

0

v ds ( t ) ? i d ( t ) dt ? 1 V S I S f S ? t 3

其中 Ts 为开关周期,fs 为开关频率,Vs 为 MOS 管关断期间加在它两端的电压,Is 为晶体管 导通期间流过的电流。由上式可知,MOS 管的开通关断损耗与开关频率成正比,适当降低开关频率 有助于降低系统功耗。

3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图 系统总体框图如图 3-1-1-1 所示

Buck
DC DC

分流电路

DC

负载

降压电路

取样电路

MCU
保护电路

主控制器
显示电路

键盘

图 3-1-1-1

系统总体框图

6

3.1.2 电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供工作电压,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 1、程序功能描述 根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。 1)键盘实现功能:设置电流的比例 2)显示部分:显示电压值和电流值 2、程序设计思路 在系统中,软件的主要作用是完成命令输入、输出采样、软件过流保护和结果 显示等功能,设计相对简单。 3.2.2 程序流程图 主程序流程图,如图 3-2-2-1

7

开始

主程序初始化

电流采样

是否过流 N LCD 显示

Y

输出几点波爱护动作 信号,并发出报警信号

故障信号处 理完成信号

N

Y 撤除软件继电保护 信号

图 3-2-2-1 主程序流程图

4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
1、硬件测试 2、软件仿真测试 3、硬件软件联调

8

4.2 测试条件与仪器
测试条件:检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查 无误,硬件电路保证无虚焊。 测试仪器:高精度的数字毫伏表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表,指针式 万用表。

4.3 测试结果及分析
4.3.1 测试结果(数据) 2V 档信号测试结果好下表所示:
信号值 显示 0.2050 0.2051 0.2100 0.2100 0.2045 0.2044 0.4026 0.4026 1.007 1.006 1.542 1.542 1.669 1.669

(单位/V)
1.999 1.999

4.3.2 测试分析与结论 根据上述测试数据,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX,由此可以得 出以下结论: 1、 2、 3、 综上所述,本设计达到设计要求。

9

附录 1:电路原理图

10

附录 2:源程序

11


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