开关电源模块并联供电系统.doc

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1、1 20112011 全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛论文论文 （山西赛区）（山西赛区） 题目题目: : 开关电源模块并联供电系统开关电源模块并联供电系统 论文编号：论文编号： 参赛学校：参赛学校： 参赛学生：参赛学生： 指导教师：指导教师： 二二一一年九月一一年九月 2 摘要摘要 本设计以单片机为控制核心，两个 DC/DC 模块并联实现的输入为 24V 输出 为稳定 8V 的电源供电系统。该系统可分为 DC/DC 降压电路，电压电流检测电路， 均流控制电路与过流保护电路四部分。降压电路主要采用 MC34063 芯片，均流 控制电路由 AT89C51 单片机产生 PWM 信号，通过

2、调节占空比来实现要求的电流 比例，并用单片机与模数转换芯片 ADC0832 来控制结果的显示，能够测量 0 到 5V 的直流电压值，四位数码显示，过流保护电路通过利用基极驱动电路将电源 的控制电路和开关晶体管隔离开来保护电路。在电源的实际使用过程中，各种 负载对于供电的可靠性要求不同，当单台电源不能提供负载的全部容量的时， 就需要多个电源模块并联使用，以提高电源的容量和运行的可靠性。而该系统 正是开关电源并联供电的理想之选。 关键词：关键词：开关电源 MC34063 PWM AbstractAbstract The objective of this design is MCU control

3、 core, two DC/DC module parallel of the realization of the input for 24 V output to the stable 8 V power supply system. The system can be divided into DC/DC step-down voltage circuit, the electric current detection circuit, all flow control circuit and over current protection circuit four parts. Buc

4、k circuit MC34063 chip, are the main flow control circuit produced by AT89C51 PWM signal by adjusting the value of empty, realize the current requirements, and the proportion of MCU and modulus ADC0832 transition chip to control results show, able to measure the 0 to 5 V dc voltage value, four digit

5、al display, over- current protection circuit through the use of driving circuit of the power supply will be passive control circuit and the transistor switch isolated protection circuit. In the power supply and the actual use of the process, all kinds of load for power supply reliability requirement

6、s are different, when a single piece of load power supply cannot provide the full capacity, they need several power supply modules in parallel, in order to improve the capacity of power supply and reliability of the operation. And the system is an ideal choice of switching power supply of power in p

7、arallel. KeyKey wordswords: switching power MC34063 PWM 3 目录目录 1.1.方案论证与比较方案论证与比较.4 1.11.1DC/DCDC/DC 降压模块降压模块.4 1.2均流控制电路均流控制电路.4 2.2.系统设计系统设计.4 2.12.1 总体设计总体设计.4 2.22.2 单元电路设计单元电路设计.5 2.2.12.2.1 DC/DCDC/DC 并联模块电路设计并联模块电路设计.5 2.2.22.2.2 A/DA/D 转换模块电路设计转换模块电路设计.7 2.2.32.2.3 单片机控制模块及显示部分电路设计单片机控制模块及显示

8、部分电路设计.7 2.2.42.2.4 过流保护电路设计过流保护电路设计.8 3理论分析与计算理论分析与计算.9 3.1 DC/DC 并联模块器件的选择并联模块器件的选择.9 3.1.1 输入电容输入电容C1,C11.9 3.1.23.1.2 电阻分压器电阻分压器 R2(R21),R3(R31)R2(R21),R3(R31).9 3.1.3 储能电感储能电感L1(L11).9 3.1.43.1.4 输出电容输出电容 C3(C31)C3(C31).9 3.2 A/D 转换电路转换电路.9 3.3 单片机控制电路单片机控制电路.9 3.3.1 输入电容输入电容C7，C8.10 3.3.2 复位电路

9、电容复位电路电容C9，电阻，电阻R6.10 3.3.3 单片机内部程序单片机内部程序.10 4 4 测试结果及分析测试结果及分析.16 4.14.1 测试仪器测试仪器.16 4.24.2 测试数据测试数据.16 4.2.14.2.1 基的数据本要求一基的数据本要求一.16 4.2.24.2.2 基本要求二的数据基本要求二的数据.17 4.2.34.2.3 基本要求三、四的数据基本要求三、四的数据.17 4.2.44.2.4 发挥部分一的数据发挥部分一的数据.17 4.2.54.2.5 发挥部分二的数据发挥部分二的数据.17 5.5.总结总结.17 6.6.参考文献参考文献.17 4 1.1.方

10、案论证与比较方案论证与比较 给出系统各模块的设计方案，并对各方案进行了比较分析。 1.11.1DC/DCDC/DC降压模块降压模块 方案一：采用普通开关式电源变换器为核心设计降压充电模块。该电路结 构比较简单，但输出电流纹波较大、电压波形不稳定，且对电感要求比较高， 不易匹配。 方案二：采用芯片 MC34063 配合简单的外围电路组成 DC/DC 降压模块。 34063 是一单片双极型线性继承集成电路专用于直流交换器控制部分，片内包 含有温度补偿带隙基准源，一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开 关，能输出 15A 的开关电流，它仅需很少的外围器件即可构成高效率变换器。 因此基于该结构的

11、降压充电模块可以较好的满足题目要求。 经过综合比较和测试，降压充电模块应采用方案二。 1.2均流控制电路均流控制电路 方案一：采用改变等效电阻的方法来控制电流的变化。该方法原理简单， 容 易操作，但是无法完成自动调节的功能，而且分配精度不高，不予采用。 方案二：采用单片机 AT89C51 与 A/D 转换芯片 AD0832 配合简单的外围 电路组成 PWM 控制电路。AT89C52 是高性能 CMOS 8 位单片机，片内置通用 8 位中央处理器，功能强大，可以通过该单片机输出信号来控制显示器以及占 空比。ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，易于和微处理器接口或独立使用， 误差小

12、，转换速度快且稳定性强。该电路结构能够很好的控制电流分配，可以 较好地完成题目要求。 经过综合比较和测试，均流控制电路采用方案二。 2.2.系统设计系统设计 2.12.1 总体设计总体设计 根据题目的测试原理此要求，本设计方案大体包括 DC/DC 并联模块、电 压电流检测模块、反馈控制模块和显示部分。如图 1 所示。 5 输入 DC/DC 并联 模块 电压电流检 测模块 输出 A/D 转换模块 单片机控制 模块 显示部分 开关电源模块并联供电系统 图 1 开关电源模块并联供电系统结构图 当输入直流电压 24V 时，使 DC/DC 模块工作在额定功率 16W 输出电压 为 8V 的状态，通过调节

13、负载，使得输出电流发生变化，经过 A/D 转换模块 式的模拟信号转换成数字信号，使单片机能够接受到电流变化的信号从而控 制显示部分跟电流的分配。 2.22.2 单元电路设计单元电路设计 2.2.12.2.1 DC/DCDC/DC 并联模块电路设计并联模块电路设计 DC/DC 并联模块由 MC34063 芯片、电阻、电感、电解电容以及二级管组 成，具体电路结构如图 2 所示。 6 DRC 8 IPK 7 V+ 6 CINV 5 SWC 1 SWE 2 CT 3 V- 4 U1 MC34063 C1 470uf R2 0.95k R3 4.7k C2 1000pf D1 1N4007 C3 100

14、uf L1 330uh DRC 8 IPK 7 V+ 6 CINV 5 SWC 1 SWE 2 CT 3 V- 4 U2 MC34063 C11 470uf R21 0.95k R31 4.7k C21 1000pf D11 1N4007 C31 100uf L11 330uh +24v 图 2 DC/DC 并联模块的电路结构 MC34063 是一种开关型高效 DC/DC 变换集成电路。内设置有大电流的电 源开关，34063 能够控制的开关电流达到 1.5A；它的内部含有具有温度补偿 的基准电压源、比较器、具有限电流电路的占空比可控的振荡器、驱动器和 大电流输出开关管。 MC34063 的内结

15、构图如图 3 所示： 7 图 3 MC34063 芯片内部结构图 2.2.22.2.2 A/DA/D 转换模块电路设计转换模块电路设计 A/D 转换模块电路由 ADC0832 芯片，外加电阻构成。 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其内部电源输入与参考电压的复 用，使得芯片的模拟电压输入在 05V 之间。 2.2.32.2.3 单片机控制模块及显示部分电路设计单片机控制模块及显示部分电路设计 该模块由单片机 AT89C41、LED 数码显示管、电阻、电容以及晶振构成。 具体结构如图 4 所示。 8 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29

16、RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 1

17、3 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 U4 80C51 X1 CRYSTAL C7 33pF C8 33pF R6 10k C9 22n 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 图 4 控制部分电路结构图 该模块要实现自动控制的功能，所以选用性能较高的 AT89C51 芯片，该 芯片片内置通用 8 位样处理器，功能强大，具有重复写程序的功能。 2.2.42.2.4 过流保护电路设计过流保护电路设计 在一般情况下，利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔 离开。控制电路与输出电路共地，限流电路可以直接与输出电路连

18、接，工 作原理如图 5 所示，当输出过载或者短路时，V1 导通，R3 两端电压增大， 并与比较器反相端的基准电压比较。控制 PWM 信号通断。 9 图 5 过流保护电路原理图 3理论分析与计算理论分析与计算 3.1 DC/DC 并联模块器件的选择并联模块器件的选择 3.1.1 输入电容输入电容 C1,C11 输入电容的主要功能是维持输出电压的稳定性，输入电容的电流均方根值 应为直流负载电流的 50%，所以选择 470uF/50V 的电解电容。 3.1.23.1.2 电阻分压器电阻分压器 R2(R21),R3(R31)R2(R21),R3(R31) 外部分压电阻 R1，R2 的阻值由下式决定：

19、21 1 REF VOUT RR U 式中，, ,VOUT=8V。 1 260RK1.23V R U 3.1.3 储能电感储能电感 L1(L11) 计算储能电感的公式如下： VINVOVO L VINILFS 为峰峰值电感电流纹波 IL 3.1.43.1.4 输出电容输出电容 C3(C31)C3(C31) 输出电容与储能电感一起构成调节环路。一般情况下采用 80470uF 范围 内的电解电容，本设计采用 470uF 的电解电容。 3.2 A/D 转换电路转换电路 芯片选用 ADC0832 模数转换芯片，工作电压 U=5V。 3.3 单片机控制电路单片机控制电路 10 3.3.1 输入电容输入电

20、容 C7，C8 由单片机工作所需的条件知：C7=C8=30pF。 3.3.2 复位电路电容复位电路电容 C9，电阻，电阻 R6 C9=22nF, R6=10k。 3.3.3 单片机内部程序单片机内部程序 #include#include #include#include /*/*端口定义端口定义 */*/ sbitsbit CSCS = = P35;P35; sbitsbit ClkClk = = P33;P33; sbitsbit DATIDATI = = P34;P34; sbitsbit DATODATO = = P34;P34; sbitsbit P20=P20P20=P20 ; ;

21、/*/*定义全局变量定义全局变量 */*/ unsignedunsigned charchar datdat = = 0 x00;0 x00; /AD/AD 值值 unsignedunsigned charchar countcount = = 0 x00;0 x00; /定时器计数定时器计数 unsignedunsigned charchar CH;CH; /通道变量通道变量 unsignedunsigned charchar disdis = = 0 x00,0 x00, 0 x00,0 x00, 0 x00;0 x00; /显示数值显示数值 /*/*共阳共阳 LEDLED 段码表段码表

22、*/*/ unsignedunsigned charchar codecode tab=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;tab=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90; charchar codecode tablewe=tablewe= 0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xfe0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xef,0 xdf,0 xfe ; /*/* * 11 函数功能函数功能:AD:A

23、D 转换子程序转换子程序 入口参数入口参数:CH:CH 出口参数出口参数:dat:dat * */*/ unsignedunsigned charchar adc0832(unsignedadc0832(unsigned charchar CH)CH) unsignedunsigned charchar i,test,adval;i,test,adval; advaladval = = 0 x00;0 x00; testtest = = 0 x00;0 x00; ClkClk = = 0;0; /初始化初始化 DATIDATI = = 1;1; _nop_();_nop_(); CSCS =

24、= 0;0; _nop_();_nop_(); ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_(); ifif ( ( CHCH = 0 x000 x00 ) ) /通道选择通道选择 ClkClk = = 0;0; DATIDATI = = 1;1; /通道通道 0 0 的第一位的第一位 _nop_();_nop_(); ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_(); ClkClk = = 0;0; DATIDATI = = 0;0; /通道通道 0 0 的第二位的第二位 _nop_();_nop_(); ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_

25、(); elseelse 12 ClkClk = = 0;0; DATIDATI = = 1;1; /通道通道 1 1 的第一位的第一位 _nop_();_nop_(); ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_(); ClkClk = = 0;0; DATIDATI = = 1;1; /通道通道 1 1 的第二位的第二位 _nop_();_nop_(); ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_(); ClkClk = = 0;0; DATIDATI = = 1;1; for(for( i i = = 0;i0;i 8;i+8;i+ ) ) /读取前读取前

26、 8 8 位的值位的值 _nop_();_nop_(); advaladval = 1;1; ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_(); ClkClk = = 0;0; ifif (DATO)(DATO) advaladval |=|= 0 x01;0 x01; elseelse advaladval |=|= 0 x00;0 x00; forfor (i(i = = 0;0; i i = 1;1; ifif (DATO)(DATO) testtest |=|= 0 x80;0 x80; elseelse testtest |=|= 0 x00;0 x00; _nop_(

27、);_nop_(); ClkClk = = 1;1; _nop_();_nop_(); 13 ClkClk = = 0;0; ifif (adval(adval = test)test) /比较前比较前 8 8 位与后位与后 8 8 位的值，如果不相同舍位的值，如果不相同舍 去。若一直出现显示为零，请将该行去掉去。若一直出现显示为零，请将该行去掉 datdat = = test;test; _nop_();_nop_(); CSCS = = 1;1; /释放释放 ADC0832ADC0832 DATODATO = = 1;1; ClkClk = = 1;1; returnreturn dat;

28、dat; /*/* * 函数功能函数功能: :延时子程序延时子程序 入口参数入口参数: : 出口参数出口参数: : * */*/ voidvoid delay(void)delay(void) intint k;k; for(k=10;k80;k+);for(k=10;k80;k+); /*/* * 函数功能函数功能: :将将 0-2550-255 级换算成级换算成 0.00-5.000.00-5.00 的电压数值的电压数值 入口参数入口参数:i:i 14 出口参数出口参数: : * */*/ voidvoid convdata(unsignedconvdata(unsigned charchar i)i) dis0dis0 = = i/51;i/51; /个位个位 dis1dis1 = = (i%51)*10/51;(i%51)*10/51; /小数点后第一位小数点后第一位 dis2dis2 = = (i%51)*10%51)*10/51;(i%51)*10%51)*10/51; /小数点后第二位小数点后第二位 /*/* * 函数功能函数功能: :数码管显示子程序数码管显示子程序 入口参数入口参数: : 出口参数出口参数: :