开关电源模块并联供电系统设计报告

开关电源模块并联供电系统（A题）摘要：本系统给出了以分立元件构成的DC/DC变换模块为核心的开关电源，并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。

系统采用STC89C52单片机进行监控，并用高精度的德州仪器芯片TLC5615IP和TLC2543CN进行数模、模数转换，实现电流的实时测量、人机交互、电流比例设定、输出电流显示、过流保护及自动恢复功能。

经测试，系统较好地完成了基本部分和发挥部分的要求，工作稳定，用户界友好。

关键词：分立元件；DC/DC变换模块；开关电源；并联；德州仪器芯片1 方案比较与论证1.1 DC/DC变换电路的选择方案一：由LM2576开关型降压稳压器构成LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力，使用该器件构成的DC/DC变换电路的设计思想如下：图1.1(a) 由LM2576构成的DC/DC变换电路该稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减到最少，使用简单，但由于集成电路工艺制造的元器件，各元器件参数的据对精度不是很高，而且受温度的影响也比较大，因此我们放弃这种方案。

方案二: 由分立元件构成本电路是自己设计的，由施密特触发器74HC14、运算放大器LM324、三极管、二极管、电阻、电容以及电感等器件组成的核心电路，提供了自由调整的余地，另外为了不致过载、过流、过热等损坏元件，需要加以复杂的保护电路。

下图为DC/DC 主回路的拓扑结构：开关调整管脉冲调制比较放大基准电压滤波电路采样电路+ -+ -U I UO图1.1(b) 由分立元件构成构成的DC/DC变换电路由于由分立元件构成的DC/DC变换电路，电路选择得好，参数选择恰当，元件性能就很优良，设计和调试的好，则性能也很优良。

因此本系统选择方案二。

1.2 控制方法及实现方案STC89C52单片机内部具有电擦除的8KBEPROM，易于通过ALL03等编程与擦除，而且具有结构简单、且资料丰富、低成本、速度快、功耗低等特点。

本设计采用常用的STC9S52单片机作为整机的控制单元。

利用单片机程控通过红外遥控来改变输出电流比。

通过AD/DA转换器对电源供电系统进行检测和调整。

由于本系统需满足高精度、低功耗、高效率的要求，因此不能使用普通的AD/DA转换器。

方案一：数模转换器采用的DAC0832，模数转换器采用ADC0804DAC0832是一个8位数模转换芯片，内部不包含运算放大器，所以输出端要加一个运算放大器进行匹配，以实现电压输出，才能构成完整的DA转换器。

ADC0804是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

对于满幅度输入阶跃跳变，8位DAC转换速率最大只有640KHz。

该方案虽然能实现功能，但硬件电路复杂，逻辑电路繁琐， A/D、D/A采用并行转换器，占用单片机口线资源较多，处理数据的精度不够，因此在本系统中不采用该方案。

方案二：数模转换器采用TLC5615IP，模数转换器采用TLC2543CNTLC5615IP和TLC2543C N都是美国德州仪器（TI）公司近几年推出的性能价格比较优的转换芯片。

TLC5615IP是带由缓冲基准输入的10位电压输出数模转换器（DAC）。

DAC具有基准电压两倍的输出范围。

器件使用简单，用单5V电源工作。

器件具有上电复位功能（power-on-reset）以确保可重复启动。

TLC5615IP的数字控制通过3条串行总线，它与CMOS兼容并且易于和工业标准微处理器和微控制器接口。

数模更新速率受片选信号CS周期限制，通常情况下的D/A转换速率可达1.21MHz，最大功耗为1.75mW.TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器（ADC），使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。

由于是串行输入结构，能节省单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

综上所述，从电路的简洁性、高精度、低功耗以及高效率方面考虑，选择方案二。

1.3 PWM产生方式方案一：由单片机直接产生SPCE061A单片机可以直接输出可调PWM波，虽然应用简单，但是其输出波形频率较高，脉宽较小，使得调节范围较大，不利于精确控制。

方案二：由施密特触发器产生电路结构简单，便于用单片机进行控制，配合模拟图腾柱电路，使PWM波的上升下降沿时间短，降低其在开关管上的功耗，从而提高其输出效率。

故系统采用方案二。

1.4 电流取样电阻的选择方案产生电流可以采用在电阻两端加电压的方法，测量电流一般采用的方法是测量电流流经电阻两端的电压进行间接计算得到的。

因此在产生电流或者测量电流值时，取样电阻的选择非常重要。

方案一：采用大功率电阻为了满足流过大电流的要求，可以采用大功率电阻，通过2A 电流时一定不会被烧断。

但是此时流过的大电流将会使电阻大量发热，导致电阻温度急剧上升，将产生很大的测量误差。

因此不能使用温度漂移严重的普通大功率电阻。

方案二：采用康锰铜电阻康锰铜电阻是电流测量中很常用取样电阻，其特点在于温度漂移量非常小。

经过测试，在1Ω的康锰铜电阻上通过约2A电流，由于产生的热量引起的升温，只会引起0.02Ω左右的阻值变化，对电流的稳定起了很重要的作用。

另一方面，1Ω的康锰铜电阻约长1m，由于和外界接触面积大，即使通过大电流也能很快的散热，进一步的减小温度漂移带来的影响。

方案三：采用普通电阻在电流比较小的情况下，普通的1/4W 或者1/8W 的电阻可以被用作电流测量，但是本题需要测量的是最大输出电流需要达到2A的电源。

因此即使是比较小的电阻，通过2A 电流时功率也会大大超过普通电阻的额定功率，电阻将被烧断。

因此在本系统中，测量电流的取样电阻不能直接选用普通电阻，然而可以选用几个阻值相近的电阻并联作为采样电阻，同样能够满足要求。

鉴于上面分析，由于身边没有适当阻值的康锰铜电阻，本设计采用方案三，用11个2.2Ω的电阻并联得到0.2Ω的采样电阻。

2系统硬件设计与实现2.1系统硬件的整体组成部分系统硬件整体分为电源电路和控制电路两部分，通过单片机实现电源输出的采样及显示，过流保护，及闭环控制，两部分的有机结合，使单调的电源变得更加智能化，人性化，其具体结构如下图：图2.1 硬件的整体结构电源电路部分主要由开关调整管、滤波电容、脉冲调制电路、比较放大器、基准电压和采样电路组成。

其中电压调节为脉宽调制型，并引入反馈调节，使主电路输出更加稳定。

控制电路采用STC89C52单片机，加上外围采样电路，红外模块、显示电路及一些指示电路，组成一个完整闭环控制系统。

单片机首先通过检测两路的电流并作出比较，如果超过设定的比例范围，就通过单片机反馈电压进行调整。

整个系统经过测试，单元电路能够很好的协调工作。

2.2各单元电路的设计2.2.1主电源电路的设计图2.2.1 主电源电路图在进行电源设计初期，考虑到最大电流输出达2A，及具有2.5A动作电流的功率要求，一切器件均以大功率要求进行计算设计。

开关电路的设计，开关电路采用由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。

每一路DC-DC模块是由分立元件构成的DC-DC变换电路，电路中由施密特触发器74HC14、二极管、电阻、电容以及电感组成的高频整流滤波电路以及产生固定频率的三角波。

2.2.2单片机控制电路的设计图2.2.2 单片机控制电路图2.2.3闭环反馈电路的设计闭环在控制系统中用的很多，它能提高系统稳定性。

本设计中，当输入直流电压或负载电流波动而引起输出电压发生变化，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。

此脉冲信号作为开关调整管得输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也随之发生变化，从而使滤波以后输出电压的平均值基本保持不变。

该部分的设计采用电阻比例电路实现闭环反馈，考虑到功耗，及检测吸收能力，通过实验测试，R2=150K,R11=5K(可调)，R4=10K，在既满足反馈要求，且功耗低。

三、理论分析与计算3.1 系统供电部分模拟电路部分：根据系统所需电源的要求，选用1台直流稳压源，提供+24V的供电。

数字部分：数字部分由+24V分压得到，同时由TL431将+24V的IN转换得到+5V和+2.5V 的稳定的直流电压为为TLC2543和TLC5615提供基准电压。

如下图所示：图3.1由TL431输出直流电压图由于TL431内部含有一个2.5V 的基准电压，所以当在REF 端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽的范围的分流，控制输出电压，其大小为：REF 21Z V *)R 1V R +=（ Z V 调整使A 点保持在REF V 值，改变R 1、R 2可以调整。

此处选择R 1=R 2，最终可得到+5V 和+2.5V 的稳定的直流电压。

3.2 模数转化部分利用STC89C52单片机的通用I/O 口（P1口）与TLC5615构成的DAC 电路如图4所示。

分别用P1.0、P1.2模拟时钟SCLK 和片选CS ，只有当片选CS 为低电平时，在每一个SCLK 时钟的上升沿将DIN 的一位数据移入16位寄存器，待转换的二进制数从P1.1输出到TLC5615的数据输入端DIN 。

由TLC5615的时序图可计算得最大串行时钟速率为：z 14)()(1)(max MH CS t CH t sclk f w w ≈+=16位移位寄存器分为高4位虚拟位、低2位填充位以及10位有效位。

本设计采用了单片TLC5615的12位数据序列的工作方式，需向16位寄存器按先后输入10位有效数字和低2位填充位，2位填充位数据任意，其输出电压为：1024*NV V REFIN OUT =其中，REFIN V 是参考电压，N 为输入的二进制数。

3.3 DC/DC 变换电路运行参数的计数 （1）脉冲调制电路振荡频率的计算脉冲电路是由74HC14和RC 网络组成的，图3.3(a)所示为震荡电路的波形图。

由于电容在单向脉冲电压的间隔之间下降的电压量1C U ∆与放电电流强度、放电时间成正比，与电容量成反比：CTI U C ⨯=∆ 可得到震荡频率为：CU I T f C∆⨯==1图3.3（a ） 震荡电路的波形图（2）电流电压检测的计算经过测试可知采样电阻R x 上的电压x x R I U *x ≈，可知输出电压与采样电阻存在近似线性关系。

由于采样电阻阻值比较小，在该电阻上的压降相应也小，为了提高系统控制的灵敏度，将采样电阻上的电压U R1和U R2经过仪表芯片INA128进行放大，再送到TLC2543进行A/D 转换。