全国大学生电子设计大赛A开关电源模块并联供电系统方案

2011年全国大学生电子设计竞赛赛区

竞赛设计报告封面

作品编号：（由组委会填写）

作品编号：（由组委会填写）

说明

1.为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码；

2.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订；

3.“作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写；

4.“参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组

委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。

5.本页允许各参赛学校复印。

开关电源模块并联供电系统

设计与总结报告

摘要：本设计是针对2011年全国电子设计大赛A题，电路的设计是基于BUCK 拓扑的开关稳压电路的拓扑结构，以美国NSC的LM2576为功率输出核心，提出一种基于并联Buck变换器的自主均流控制方法，该方法基于并联Buck变换器状态方程，设计了由控制电路、保护电路和驱动电路组成的自主均流的开关电源模块并联供电系统

关键词：并联型自主均流控制

(2) DA数据输出电路

方案一：采取MSP430部自带的DA转换器，此种方案可降低硬件成本，但很产生DA结果不稳定。

方案二：采取片外12位的TLV5617DA转换器，此种方案硬件成本提高，但比较稳定。

方案三：采用MSP430片12位DA转换器，但使用外部基准源REF191稳定输出。

比较以上方案，我们采用方案三，不仅节约硬件成本，易于控制，而且能大大提高DA转换器的稳定性和精确度。

(3)DC-DC模块电路：

方案一：隔离式DC/DC转换器，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出；并有效地实现实现输出与输入电气隔离，但对变压器的要求较高。

方案二：非隔离式DC/DC转换器。

由于变压器存在漏磁和损耗，会造成效率低下，故采用非隔离型，题目要将24V直流电压转换为8V，为降压电路，因此buck型非隔离式DC-DC转换器。

(4)控制方法

方案一：电压型控制方法，开关变换器输出的电压VEB与参考电压比较并放

大，得到误差信号VE，VE又与PMW比较器和锯齿波信号相比较，从而输出一系列脉冲，这些脉冲的宽度随误差信号VE的变化而变化。此方法夫人单环回路容易设计和分析，锯齿波幅度比较大，抗干扰能力比较强，但输入或输出的变化只能在输出改变时才能控制并反馈进行修正，响应速度慢，电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外电路限制输出电流。

方案二：电流型控制方法，实在传统的电压型控制基础上，增加了一个环（电流反馈环），使其成为一个双环路控制系统。此电路中回路稳定性好，负载响应快，具有过流保护和可并联性。双反馈回路使得电路分析变得比较复杂，由于控制回路需要电感电流控制信息，控制电路的存在增加了整个变换器设计的复杂性，同时也会影响变换器的效应。

综合以上分析，本系统采用电流型控制电路。

(5)电源电路

由于提供24V直流电，采用78XX系列稳压以及LM1117逐级降压为MSP430提供3.3V供电电压。采用ICL766产生负极性的电压供给仪表放大器AD620.。

二．理论分析

1 DC-DC变换器稳压方法

利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC-DC转换。其中采用PWM技术，从输入电源提取

能量随脉宽变化，在一个固定周期实现平均能量转换。最终达到将固定的直流电压变换成可变的直流电压。

2 电流电压的检测

使用与电感串联电阻来检测电流，控制信号和补偿斜坡通过比较器与误差放大器的输出进行比较，从而进行脉宽调制。

3 均流的方法

在两个并联的模块中，以输出最大电流的模块为主模块，其余为从模块，利用二极管的单向导通性，只有电流最大的模块，才能率先导通。正常情况下，各模块分配的电流均衡，若其中某一路电流突然变大，成为并联模块中电流最大的主模块，从模块以均流母线上的电流信号作为本模块的电流基准，跟踪基准信号，同时调整变换器输出电压，达到均流目的。

4 过流保护

若电路中DA输出的瞬间电流过大，进入系统后，由于系统本身的自主均流作用，会将输出电压维持在一个比较稳定状态，从而达到过流保护的作用。

三．开关电源电路的电路设计

1、单元模块电路

电流采样电路由低噪声、高增益的高精度差分放大器AD620组成的高端采样电路，如下图所示。

PCB的制作开始就考虑了电感和接地回路最小，并尽可能的单点接地。此模块主要为模拟电路，采用大面积铺地。

（2）开关导通和关断都存在一个电流环路，次环路都是高频，大电流的环路，布线和布局时都要将此二环路面积设计的最小。

（3）注意芯片和开关管得散热，电容的引线不能太长，尤其是高频旁路不能有引线。

四．系统测试

1 测试仪器

直流稳压电源

四位半数字万用表

2 测试结果

实测过流保护值为4.4A。

五．实验总结

综合上述各部分的测试结果：本设计圆满完成了题目的基本要求部分和发挥部分，经过反复的调试和理论验证，保证了开关电源并联供电系统的稳定工作，使直流输出电压稳定在8V,当调整负载电阻并保证输出电压时，无论是1:1模式1A还是1:2模式1.5A,每个模块的输出电流的相对误差绝对值都小于5%。当过流电流为4.4V，误差仅为1%.。在调试的过程中，不断的解决问题和发现问题，对开关电源的工作特性有了全新的认识。我们在此次的竞赛中都有了不小的收获。

参考文献：

1《模拟电子技术基础简明教程》清华大学童诗白

2 《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用》清华大学建华