全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告

1、題目名稱：開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A 題）摘要開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)是采用8位Atmega88的開(kāi)關(guān)電源，主電路采用LM2576和LM2596作為兩塊并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電源。LM2576作為恒壓源，LM2596作為恒流源。該兩塊開(kāi)關(guān)電源保證系統(tǒng)的效率，電流電壓調(diào)整率和輸出精度要求。系統(tǒng)具有限流保護(hù)功能，HD7279鍵盤(pán)輸入輸出等多種功能。該系統(tǒng)主要采用硬件反饋調(diào)節(jié)，調(diào)整能力強(qiáng)，使單片機(jī)負(fù)載小。本系統(tǒng)功能完善，在支路在0.5-2A輸出范圍內(nèi)，干路電流輸出范圍使1-4A其分壓比由外界輸入。由AD采用，讀出干路電流，經(jīng)數(shù)字電位器調(diào)整恒流源工作狀態(tài)，使其自調(diào)整實(shí)現(xiàn)固定分壓比，并且電流精度滿足在百分之五以內(nèi)

2、。關(guān)機(jī)或過(guò)流保護(hù)收后，具有可以記憶參數(shù)、自恢復(fù)功能。Abstract Switching power supply modules in parallel power supply system is the use of 8-bit Atmega88 switching power supply, the main circuit LM2576 and LM2596 as two parallel switching power supply. LM2576 as the voltage source, LM2596 as a constant current source. The two

3、 switching power supply to ensure efficiency of the system, current and output voltage regulation accuracy requirements. System has a current limit protection, HD7279 keyboard input and output functions. The system uses hardware feedback regulation, adjust the ability to make a small single-chip loa

4、d.The system is functional, the branch in the output range of 0.5-2A, distributors current output range 1-4A the partial pressure than by the external input. Used by the AD, to read out the current trunk, the digital potentiometer to adjust the current source working condition, to self-adjust to ach

5、ieve a fixed partial pressure ratio, and accuracy to meet the current five percent or less. After closing down or over-current protection, with memory parameters can be, since the recovery.1 方案論證與比較31.1 系統(tǒng)方案論證31.2 過(guò)流保護(hù)方案論證52 系統(tǒng)設(shè)計(jì)62.1 總體設(shè)計(jì)62.2 單元電路設(shè)計(jì)72.2.1 數(shù)字電位器電路設(shè)計(jì)72.2.2 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)82.2.3 恒流部分電路設(shè)計(jì)102.2

6、.4 恒壓部分電路設(shè)計(jì)123 軟件設(shè)計(jì)134系統(tǒng)測(cè)試155 結(jié)論17參考文獻(xiàn)：17附錄：17附1：元器件明細(xì)表：17附2：儀器設(shè)備清單17附3：電路圖圖紙171 方案論證與比較1.1系統(tǒng)方案選擇題目分析：根據(jù)題目要求，負(fù)載端電壓為8V，允許誤差為0.4V。題目要求兩個(gè)支路電流比可調(diào)，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)阻可調(diào)。所以兩種基本方案：直接改變開(kāi)關(guān)電源內(nèi)阻；通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)電源輸出電壓，間接改變內(nèi)阻。要求效率要大于60%，所以要選用大于60%的開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)是可行的。電源應(yīng)該具有掉電保護(hù)功能，可以用EEPROM來(lái)記憶系統(tǒng)重要參數(shù)。系統(tǒng)還應(yīng)該具有掉電保護(hù)功能，可以通過(guò)MCU控制LM2596和LM2576的ON/

7、OFF管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的過(guò)流保護(hù)。方案選擇:方案一、該系統(tǒng)首先對(duì)通過(guò)負(fù)載的電流和負(fù)載兩端的電壓進(jìn)行采樣返回到MCU，計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載，然后根據(jù)已知的分流比，計(jì)算出I1和I2。單片機(jī)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)板電壓的采樣穩(wěn)定住兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源的輸出。然后計(jì)算出兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)的可變電阻的阻值的大小。通過(guò)MCU改變可變電阻的大小。方案分析：其中，根據(jù)題目要求，通過(guò)可變電阻的電流要0.5-2A，可變電阻要是大功率電阻。而實(shí)際中，數(shù)字電位器并不能承受大電流。所以不能采用數(shù)字電位器。另外一種方法是通過(guò)繼電器控制一些列的大功率電阻的導(dǎo)通和關(guān)閉。這種方案涉及的電路的設(shè)計(jì)比較少，雖然簡(jiǎn)單，實(shí)際中也沒(méi)有采用。方案二、該系統(tǒng)采用兩塊開(kāi)

8、關(guān)電源，在其輸出端加保護(hù)電阻。由MCU檢測(cè)負(fù)載兩端電壓和電流，計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載，然后計(jì)算當(dāng)負(fù)載兩端為8V時(shí)的，通過(guò)負(fù)載應(yīng)該為多大電流。然后根據(jù)輸入的分壓比，計(jì)算兩個(gè)支路應(yīng)該輸出的電流。然后根據(jù)保護(hù)電阻的阻值，確定損失在保護(hù)電阻的電壓。最后通過(guò)單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源的電壓輸出。其中，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出采用PID控制技術(shù)。方案分析：該電路靈活性比較好。能滿足題目的要求，甚至，可以任意更改需要穩(wěn)定的電壓值（本題中為8V）。但是該電路控制起來(lái)非常復(fù)雜，總共四路采樣，三路PID。主控制芯片為ATmega88，處理能力很可能會(huì)滿足不了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定的條件。所以沒(méi)有采用該方案。方案三、該系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)恒流源和開(kāi)關(guān)恒

9、壓源的方案。單片機(jī)對(duì)主干路和恒流源支路進(jìn)行兩路電流采樣。該系統(tǒng)采用具有自調(diào)整功能的開(kāi)關(guān)電源構(gòu)建恒流源和恒壓源。其中，恒壓源負(fù)責(zé)穩(wěn)定輸出電壓，由單片機(jī)控制恒流源的電流，由恒壓源補(bǔ)充剩下的電流。這樣，即保證了恒壓輸出的要求，由恒流源保證了分流比。方案分析：該方案簡(jiǎn)單可行，單片機(jī)負(fù)載小，電路多采用硬件自調(diào)整，因而具有很好的可行性。由單片機(jī)控制恒流源輸出也更具有精準(zhǔn)性和可調(diào)整性。1.2過(guò)流保護(hù)方案選擇方案一：利用電磁繼電器作為開(kāi)關(guān)，控制總電路通斷，當(dāng)電流值超過(guò)4.5A時(shí)，程序控制繼電器關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。方案分析：此方案合理，但是需要另加電磁繼電器，對(duì)功率有一定損耗，也增加了硬件成本，雖然可行，但是并

10、不最優(yōu)。方案二： 直接利用lM2596-adj 和LM2576-ADJ 的on/off 端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。當(dāng)電流超過(guò)4.5A時(shí)，on/off端拉高，芯片停止工作，等待，單片機(jī)電流檢測(cè)點(diǎn)降至2.0以下時(shí)，芯片繼續(xù)工作。方案分析： 此方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需外加硬件，功率損耗小，但是，兩芯片同時(shí)關(guān)斷后，單片機(jī)無(wú)法正常供電，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)。方案三： 利用LM2596和LM2576的on/off端，通過(guò)MCU，控制引腳高低電平，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，單片機(jī)通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的LM2596-5 供電，即使關(guān)斷開(kāi)關(guān)電源兩路輸出，單片機(jī)也將正常工作。方案分析： 此方案硬件上略有增加，但是切斷了單片機(jī)和開(kāi)關(guān)電源的電器聯(lián)系，

11、不僅有利于過(guò)流保護(hù)，還對(duì)整個(gè)電路的電氣特性有很好的改善作用。故選擇這種電流保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)方式。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如下：系統(tǒng)電路圖2.2 單元電路設(shè)計(jì) 數(shù)字電位器電路設(shè)計(jì)MCP41010的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCP41010的內(nèi)部含有：SPI總線接口、一個(gè)POT(電位器)。POT內(nèi)有一個(gè)8 b滑刷控制數(shù)據(jù)寄存器。該電阻最大值可為10k，50k和100k，單位電阻為量程除以256。題目實(shí)際采用的是10K。MCP41010的控制方式MCP41010具有SPI總線接口，采用簡(jiǎn)單的2 B指令結(jié)構(gòu)。它的控制方式非常簡(jiǎn)單，可以采用SPI總線通信，也可以采用軟件模擬SPI總線時(shí)序。MCP41010的指令

12、格式MCP41010的指令非常簡(jiǎn)單，由兩段組成每段均有一個(gè)字節(jié)：第一段為命令字節(jié)，第二段為數(shù)據(jù)。命令字節(jié)中第2，3位和6，7位為無(wú)效位，不用對(duì)其操作；C1，C0為指令選擇位；P1，P0為電位器選擇位，由于MCP41010只集成了一個(gè)電位器，所以P1，P0必須設(shè)為01。在MCP41010中，C1，C0為01時(shí)為寫(xiě)數(shù)據(jù)指令；C1，C0為00或11時(shí)為空操作；C1，C0為10對(duì)應(yīng)關(guān)閉模式用于MCP42XXX系列數(shù)字電位器。在MCP41010中寫(xiě)命令字節(jié)通常為0x11，數(shù)據(jù)字段為8 bs數(shù)據(jù)，可以置滑動(dòng)端到256個(gè)端點(diǎn)中任何一個(gè)，因此精度非常高。MCP41010的指令序列傳輸先寫(xiě)命令字節(jié)再寫(xiě)數(shù)據(jù)字節(jié)。

13、為數(shù)字電位器片選端，只有為低電平時(shí)，命令字和數(shù)據(jù)字才能進(jìn)入16位移位寄存器。當(dāng)出現(xiàn)上升沿時(shí)，移位寄存器的值進(jìn)人數(shù)據(jù)寄存器，從而改變了電位器阻值。SCK為時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿進(jìn)入SI數(shù)據(jù)線。器件會(huì)在上升沿時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)低電平時(shí)SCK的脈沖數(shù)，也就是上升沿的個(gè)數(shù)，只有時(shí)鐘數(shù)為16的倍數(shù)時(shí)，命令才能執(zhí)行，否則命令失效。一個(gè)完整的MCP41010寫(xiě)時(shí)序包括以下幾個(gè)部分：(1)起始位。以為低電平，SCK出現(xiàn)上升沿為起始標(biāo)志。(2)傳送MCP41010的命令字段。(3)傳送8 b的數(shù)據(jù)字段。(4)停止位。以SCK為低電平，CS出現(xiàn)上升沿為SPI總線傳輸結(jié)束標(biāo)志?！居?jì)算公式：】Command為 0x11

14、時(shí)選用10K歐姆范圍，PB0有效。理論輸送BYTE理 = 電阻值R*(255/10)；但是實(shí)測(cè)數(shù)字電位器輸出范圍不到10K，僅為9.3K歐姆，因而修正后得到：實(shí)際輸送BYTE 實(shí)= 電阻值R*(255/9.3)；2.2.2 AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì)【電路圖：】 先將小電阻采得的小電壓經(jīng)MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887進(jìn)行采樣，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送mega8進(jìn)行處理。MAX4172概述：MAX4172是MAX系列電流檢測(cè)放大器芯片中的一款低成本、高精度、高邊電流檢測(cè)放大器。MAX4172通過(guò)一個(gè)外接測(cè)流電阻R，來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流，改變測(cè)流電阻的阻值即可對(duì)不同負(fù)載電流范圍進(jìn)行一個(gè)大范

15、圍的輸出電壓和電流。其最終輸出電流公式：I_out=G_m*I_load*R_sense輸出電壓公式：V_out=G_m*R_sense*R_out*I_load其中，Vout 為所要求取得輸出電壓，Iload為需檢測(cè)的負(fù)載電流，Rsense為測(cè)流電阻，Rout為電壓調(diào)整電阻，Gm為MAX4172的跨導(dǎo)，其值為10毫安每伏。1測(cè)流電阻R_sense的選取：測(cè)流電阻 R_sense的選取有兩個(gè)方面的含義：一方面是指R_sense 阻值的選取, 另一方面是指R_sense采取哪種方法實(shí)現(xiàn)。測(cè)流電阻R_sense阻值的選取主要基于以下幾個(gè)原則：一電壓損失。高R_sense 阻值將會(huì)使電源電壓降低。為

16、了使電壓損失最小, 需選用阻值盡量小的R_sense 。二精確性：高R_sense 阻值可使較低的電流被更精確地測(cè)量。這是因?yàn)楫?dāng)檢測(cè)電壓較大時(shí)偏差就變得不顯著。為了達(dá)到最好的性能, 可選取R_sense阻值為滿刻度。檢測(cè)電流時(shí)能提供檢測(cè)電壓接近100mV（滿刻度檢測(cè)電壓的典型值）的阻值, 即R_sense100mV/I_load。三、效率和功率耗損。當(dāng)電流較高水平時(shí), 測(cè)流電阻+, , 上的功率損失將比較顯著, 選擇電阻時(shí)需要考慮這個(gè)問(wèn)題,該電阻的額定功率損耗也必須考慮。同時(shí),當(dāng)該電阻由于功率較高溫度升高時(shí), R_sense的阻值也會(huì)產(chǎn)生溫度漂移。在選取測(cè)流電阻的阻值時(shí), 以上的三個(gè)問(wèn)題需要綜

17、合考慮, 阻值過(guò)高或過(guò)低都不利流的檢測(cè)。最終, 根據(jù)以上討論和系統(tǒng)需要,本電路選取阻值為 干路上0.02歐，恒流支路上為0.04歐的測(cè)流電阻 。 2.電壓調(diào)整電阻Rout 的選取： 電壓調(diào)整電阻Rout 的值確定了滿刻度輸出電壓范圍，而由要求的滿刻度輸出電壓必須小于等于芯片電源電壓輸入減1.2V，故選擇MAX4172 干路上接+5V電，支路上接+24V電?！居?jì)算公式：】MAX4172外設(shè)電路非常簡(jiǎn)單。其實(shí)際上為一恒流源，所以在OUT端接一個(gè)下拉電阻，進(jìn)而得到其放大倍數(shù)。其關(guān)系如下：Vout=Vsense*R/100 其中Vsense為Rs+和Rs-端輸入的電壓差采樣芯片計(jì)算公式為Data=Vr

18、ef*Vin/4096其中Vin為要采樣的電壓2.2.3 恒流部分模塊設(shè)計(jì)【電路圖：】【計(jì)算公式：】硬件PID過(guò)程：電流I2經(jīng)采樣后轉(zhuǎn)為小電壓:Vi2 = V2_POUT V2_OUT，經(jīng)放大得:I_CH2 = Vi2*放大倍數(shù)B；在經(jīng)過(guò)跟隨器LM324AD（起隔離作用）得：I_FB= I_CH2；反饋至數(shù)字電位器經(jīng)分壓得Vref實(shí)，然后芯片自調(diào)節(jié)使其不斷逼近Vref = 1.23伏特。根據(jù)其調(diào)整關(guān)系，即Vfb=Vref，建立起恒流源輸出電流和數(shù)字電位器的關(guān)系，推到過(guò)程如下：設(shè)恒流源輸出電流為I，采樣電阻為R，max4172放大倍數(shù)為，數(shù)字電位器阻值為R2，其分壓電阻阻值為R1。那么經(jīng)過(guò)放大后

19、可得Vout=I*R*經(jīng)過(guò)分壓電阻分壓后得到的反饋電壓為Vfb=（1+R2R1）*Vout反饋電壓等于芯片內(nèi)部基準(zhǔn)源。Vout=Vfb聯(lián)立公式，反解電流I得到I=Vref*1*1R（1+R1R2）在實(shí)際中，該電路采用了放大100倍，采樣電阻為0.04，R1=6000總結(jié)得：I=0.3075*(1+6000/Rs)。2.2.4 恒壓部分模塊設(shè)計(jì)【電路圖：】恒壓源中，反饋電壓等于基準(zhǔn)源。其公式如下：Vout=Vref*（1+R2/R1）此題中R2為10K，R1為1.2K，所以Vout=8V。3 軟件設(shè)計(jì)軟件流程圖如下：主流程圖 Case 子程序流程圖過(guò)流保護(hù)流程圖4 系統(tǒng)測(cè)試4.1 數(shù)字電位器電位

20、-電流測(cè)量【Rs-I】（室溫條件下）電阻/歐姆電流/AREG電阻/歐姆電流/AREG電阻/歐姆電流/AREG937.502.276242539.061.034655039.060.674129976.562.197252578.131.023665078.130.6711301015.632.124262617.191.012675117.190.6681311054.692.057272656.251.002685156.250.6651321093.751.994282695.310.992695195.310.6631331132.811.936292734.380.982705234.

21、380.6601341171.881.882302773.440.973715273.440.6571351210.941.831312812.500.964725312.500.6551361250.001.784322851.560.955735351.560.6521371289.061.739332890.630.946745390.630.6501381328.131.697342929.690.937755429.690.6471391367.191.657352968.750.929765468.750.6451401406.251.620363007.810.921775507

22、.810.6421411445.311.584373046.880.913785546.880.6401421484.381.550383085.940.905795585.940.6381431523.441.519393125.000.898805625.000.6361441562.501.488403164.060.891815664.060.6331451601.561.460413203.130.884825703.130.6311461640.631.432423242.190.877835742.190.6291471679.691.406433281.250.87084578

23、1.250.6271481718.751.381443320.310.863855820.310.6241491757.811.357453359.380.857865859.380.6221501796.881.334463398.440.850875898.440.6201511835.941.312473437.500.844885937.500.6181521875.001.292483476.560.838895976.560.6161531914.061.271493515.630.832906015.630.6141541953.131.252503554.690.8279160

24、54.690.6121551992.191.234513593.750.821926093.750.6101562031.251.216523632.810.815936132.810.6081572070.311.199533671.880.810946171.880.6061582109.381.182543710.940.805956210.940.6051592148.441.166553750.000.800966250.000.6031602187.501.151563789.060.794976289.060.6011612226.561.136573828.130.789986

25、328.130.599162電阻/歐姆電流/AREG電阻/歐姆電流/AREG8789.060.5172259335.940.5052398828.130.5162269375.000.5042408867.190.5162279414.060.5032418906.250.5152289453.130.5032428945.310.5142299492.190.5022438984.380.5132309531.250.5012449023.440.5122319570.310.5002459062.500.5112329609.380.5002469101.560.5102339648.44

26、0.4992479140.630.5092349687.500.4982489179.690.5082359726.560.4972499218.750.5082369765.630.4962509257.810.5072379804.690.4962519296.880.5062389843.750.495252結(jié)果分析： 由于室溫條件下實(shí)測(cè)數(shù)字電位器的最大阻值（送往寄存器的值為255時(shí)）為9.1K歐姆，若影響較大則所以需要修正，然后進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)誤差不大，在+-5%以內(nèi)。我們以電流值用電流表進(jìn)行測(cè)量，由于精度電表內(nèi)阻較大因而其實(shí)際精確值無(wú)法測(cè)量，所以我們只能根據(jù)范圍估計(jì)其誤差，都在5%以內(nèi)。4.2 功率-效率測(cè)量（室溫條件下）UinIinPinUoutIoutPout效率n240.215.048.110.4944.006340.79490923.950.286.7068.0070.514.083570.60894323.90.358.3657.9040.75.53280.66142