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1、2011年全国大学生电子设计竞赛报告开关电源模块并联供电系统（A题）2011年9月3日开关电源模块并联供电系统【摘 要】根据题目要求，使用IR9530芯片和“图腾柱”电路，以MSP430F149单片机为核 心控制器，辅以必要的模拟电路，设计开关电源模块并联供电系统。可实现电流预置、电流 检测、电流控制、过流保护及自动恢复等功能。利用MSP430F149内部自带的A/D转换器、通 用运算放大器等器件形成闭环回路,在负载端分别进行电压、电流采样，在调整负载时，输出 电压保持在8.00.4V,负载电流在1.0A-4.0A时，两个模块的输出电路可在指定比例自动分配, 每个模块输出的电流和相对误差的绝对
2、值不大于2%,供电系统的效率高于60%。当电流超过 阈值4.5A,自动进行过流保护。【关键词】IR9530： “图腾柱”电路；MSP430F149单片机：开关电源模块并联供电系统开关电源模块并联供电系统1开关电源模块并联供电系统（A题）1I方案设计与论证11.1 控制核心11.2 DC-DC 主回路11.3 开关管驱动电路22理论分析与计算32.1 DCZDC变换器稳压方式32.2 电流电压检测32.3 均流方法32.4 过流保护32.5 储能电感L和电容C的选择43系统软、硬件设计43.1 系统硬件43.2 系统软件设计43.2.1 主程序设计53.2.2 ADC中断处理54系统测试及结果6
3、4.1 测试仪器64.2 测试方法74.3 性能指标75结论7开关电源模块并联供电系统（A题）1方案设计与论证任务要求设计并制作开关电源模块并联供电系统。在调整负载时，输出电压 保持在8.00.4V,负载电流在1.0A-4.0A时，两个模块的输出电路可在指定比 例自动分配，每个模块输出的电流和相对误差的绝对值不大于2%,供电系统的 效率高于60%。系统整体框架如图1所示。图1：并联供电系统框图1.1 控制核心方案一：采用目前比较通用的89S52单片机。该单片机优点是运算能力强， 软件编程灵活，自由度大。它能够实现外围电路的智能控制，但作为核心控制部 分使用时，如果要达到设计精度要求，外围电路必
4、须加上12位的A/D转换器，这 就使得整个系统硬件电路变得复杂。方案二：采用Tl公司生产的MSP430F149单片机，它具有功能强，超低功耗 特点。而且单片机工作有多种低功耗模式，当单片机处于低功耗模式时，唤醒只 需6us0片内有2个带有大量捕捉/比较模块16位定时器，每个模块可以输出16位 PWM波；自带12位A/D,使得外部扩展电路少。考虑到题目要求，对控制要求较高，选用方案二。1.2 DC-DC主回路DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由 于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题要求整机效率高，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案：方案一：并联开
5、关电路形式。并联开关电路如图2所示。实际上此电路是在 串联开关电路后接入一个并联开关电路。用电感的储能特性来实现升降压，电路 控制复杂。I Illll图2：并联开关电路图方案二：串联开关电路形式。串联开关电路如图3所示。开关管VTl受占空 比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经LC滤波器后在负载上得到稳定 直流输出电压。该电路属于降压型电路。由于本题只需降压，故选择方案二。QLI冲出 PaINDUCTORaD2J 巾ClDECl_ ,CAPAC0RP0L图3：串联开关电路图1.3 开关管驱动电路方案一：采用常用的“图腾柱电路。图腾柱式的驱动方式，一方面增加了驱 动能力，另一方面，当PWM
6、的输出端为低的时候，下管为MoS的结电容提供放 电回路。该电路的特点是输出阻抗低，PWM驱动波形陡峭，MoSFET的开关损 耗小，而其仅需少量的分立元件即可实现。方案二：IR2101是专门为驱动半桥逆变器中同臂的两个MOSFEI而设计的高 压、高速驱动器。IR2101采用先进的高压集成电路技术使其封装在标准的双列直 插外壳中；其输入与CoMS与LSTIL电容兼容；较大的脉冲电流缓冲驱动输出级 设计,使高低端的交叉导通的可能性降到最小；而悬浮通道技术可实现自举工作， 且工作母线电压可以达60OV以上。综合以上方案优缺点，采用方案一。2理论分析与计算2.1 DC/DC变换器稳压方式DC/DC采用较
7、为普遍的PWM控制方式。通过改变PWM波的占空比来控制开 关的导通时间，从而输出不同的电压。用430单片机内部定时器B的8M赫兹晶振 产生30K赫兹的PWM信号，经过计算每个PWM周期有266份，已经足够用于精准 调整PWM占空比，从而实现高精度的PWM控制,保持脉冲周期不变，通过430单 片机通过内置A/D对电路采样比较，来改变两路开关的导通时间，即脉冲的占空 比，以实现输出电压的稳定。2.2 电流电压检测对负载上的电压进行采样，通过单片机控制PWM波的占空比，使每一路 DC/DC稳压器输出稳定电压。由于单片机的最大采样电压为2.5V,无法检测到8V 电压，因此在输出端并联两个大电阻，以分压
8、的方式检测输出电压，从而控制并 稳定输出电压在8V。给负载串联一个小电阻，通过对其两端电压的测量，检测 其电流，从而控制两条支路的电流比例。2.3 均流方法电源并联扩容的基本要求，在电源并联后，每个电压模块的输出电流应该按 照设置自动分配实现均流。本系统通过与负载并联一个大电阻后，通过对并联电 阻电压检测，经过A/D变换，与标准8.0V对应的PWM波占空比进行比较，系统通 过两路PWM波自动调节，按照设置分配实现均流。2.4 过流保护DC/DC变换器实际上是一种负反馈系统，它通过取样输出误差信号，经过反 馈控制电路处理，输出占空比可变的脉冲信号，来控制功率通道的导通时间，实 现输出稳压。过流是
9、指输出电流大于标称输出电流。过流时，DODC变换器内部 反馈处于闭环受控状态，过流工作是一种负载异常状态；短路是指输出电流远大 于标称输出电流，短路时，DC/DC变换器内部反馈处于开环不受控状态，短路工 作是一种负载异常极端状态。MCU闭环控制保护，在电路输出端串联一个阻值很小的采样电阻，将从负 载中采得的电流经过A/D变换，变换后的值送往MCU做比较，超过正常要求的电流值，输出PWM波的占空比为100%,关断电源供电，从而达到过流保护的目的。2.5 储能电感L和电容C的选择拟采用开关频率为F=30KHZo开关的周期T=lF=l30KHZ=33us0理论占空 比D=UoUI=8V24V 0.3
10、3us。一个周期内处在12V 电压的时间 TOn=DT=O.33*33US=IIUSo根据临界条件：竿小”L拚。“备”)L 02)1s选IlOuH的电感。考虑纹波及体积的因素，我们选择470uF的电容。2.6 软、硬件设计3.1 系统硬件整个系统硬件主要包括：驱动模块和两个DC/DC并联模块。分别如图4,图5。PlgS)图4：驱动模块电路原理图3.2 系统软件设计软件系统的任务主要有A/D转换、产生PWM波、步进加减、键盘扫描、电 流预置、电流检测、电流控制、液晶显示、报警等功能。为了将所有任务有序的 组织起来，软件系统采用前后台结构。Pl图5：双DCDC并联模块3.2.1 主程序设计系统加电
11、后，主程序首先完成系统初始化，其中包括系统时钟初始化，I/O 口初始化，中断系统和定时器/计数器等工作状态的设置，系统变量赋初值等工 作；完成系统初始化后打开总中断（包括AD中断和按键中断）。主程序流程图如 图6所示。3.2.2 ADC中断处理ADC中断程序主要是读取从外部进来的ADC变化值，ADC校正，电流计算并控制PWM波的占空比，以及空载检查等功能。MSP430F149内部的AD变换器 将采样电阻上的电压转换成数量，将其换算成电流后与预置值比较，根据两者间 的差值调整输出PWM波的占空比大小。最后将反馈回来的信号转换的电流值传 送到LCD。ADC中断流程图如图7所示。图7：中断程序框图4
12、系统测试及结果4.1 测试仪器表1：测试仪器仪器名称型号规格数字万用表DT-9208A+RlGoL双踪示波器DS1062C 60MHz 400MsasRlGoL函数信号发生器20MHz 100Msas直流稳压器DF1731SLL3A直流电阻器ZX364.2 测试方法用自制的电源为本系统所有设备供电，通过调节电阻箱来精确控制阻值的输 入，根据题目要求改变阻值来测量数据，再用示波器、万用表测试，记录数据。4.3 性能指标测试条件SNUOIINI2效率l: /2=1:124V8.33V0.48AIA0.49A0.5 IA72.3%l: 2=k224V8.2 IV0.81A1.62 A0.52ALlA
13、67.3%o =1.5 A-3.5 A1: Z2 =3:524V8.27VLI7A2.13A0.82A1.31A62.3%:，2 = 1：224V7.99V1.55 A2.96A1.04 A1.92A63.6%1: 0 =3:424V8.01V1.81A3.47A1.43 A2.04A64.0%1: /2=1:124V8.14V2,17A4A2. 03A1.97A62.5%由测试数据可以看出，输出电流可以控制在IA4.5A之间，并可以按照给 定比例完成调节，效率大于60%。另外发挥部分电压在1.5A3.5A内，可以任意 设置比例完成调节。负载电压稳定在8.00.4V,每个模块输出的电流和相对误
14、 差的绝对值不大于2%,供电系统的效率高于60%。5结论由于使用MSP430F149单片机作为中央控制器,本系统有功能强、性能可靠、 体积小、电路简单的特点。本系统最小可进步，精度也比较高，输出电流范围较 宽。由于本系统对精度的要求较高，硬件部分中采样电阻的热稳定性较好。硬件 中的核心模块为开关电源，其核心元件采用P沟道场效应管，其性能较好、稳定 性较高。软件中又加入了闭环自动校正功能，进一步达到精度的要求。总之，本系统精度高，性价比高，智能化程度高，达到了设计要求。参考文献1谭博学等.集成电路原理及应用M.电子工业出版社.2009年7月.2李金山等.电子系统设计M.电子工业出版社.2009年6月.3谢兴红等.MSP430单片机基础与实践Ixl .北京航空航天出版社.2009年7月.4高吉祥.全国大学生电子设计大赛竞赛培训系列教程模拟电子线路设计CL电子工 业出版社.2008年4月.5（美）安格.奥利弗.译者：徐德鸿.开关电源的原理仿真设计（原书第二版）M. 机械工业出版社.2011年1月.
