dc-dc開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

dc-dc開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的發(fā)展，低壓dc-d電源的功率越來(lái)越大，傳統(tǒng)的單d-d電源無(wú)法滿(mǎn)足需求。本系統(tǒng)采用了DC-DC開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng),比傳統(tǒng)單電源的電流最大可多一倍的輸出。此系統(tǒng)中的一個(gè)DC模塊為恒壓源,另一個(gè)DC模塊則為可控電流源,這種結(jié)構(gòu)可以輕松實(shí)現(xiàn)恒定電壓輸出,并且兩個(gè)模塊可調(diào)電流輸出供電。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1電流調(diào)度模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。外部24V直流電流經(jīng)過(guò)DC-DC主模塊轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣?V電壓給負(fù)載供電,同時(shí)對(duì)各模塊的輸出電流進(jìn)行采樣,使從DC-DC模塊的輸出電流跟隨主DC-DC模塊的電流變化而變化,以實(shí)現(xiàn)電流跟隨。為了對(duì)兩個(gè)模塊的輸出電壓與輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督,各電流-電壓檢測(cè)模塊將DC-DC主模塊電流I1、DC-DC從模塊電流I2和總電流IO分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷篤I1、VI2、VIO信息,單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部A/D采集這些信息,并且進(jìn)行處理和對(duì)各模塊進(jìn)行控制。單片機(jī)根據(jù)鍵盤(pán)的輸入選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例模式或手動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例模式,傳遞相應(yīng)的數(shù)據(jù)給D/A模塊。D/A把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓V_FB反饋給DC-DC從模塊,達(dá)到了兩個(gè)模塊的電流可調(diào)比例的輸出。在這個(gè)過(guò)程中,單片機(jī)都可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)和通過(guò)12864液晶顯示I1、I2、IO以及I1與I2的比例。為了給系統(tǒng)其它芯片提供各自所需的工作電壓,本系統(tǒng)另外設(shè)置了輔助電源供電系統(tǒng)以提供包括+5、+9、-9、+12V在內(nèi)的各種電源電壓,所用穩(wěn)壓電路分別采用開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓芯片LM2576-5.0、LM2576-ADJ、MC34063以及LM2576-12芯片,轉(zhuǎn)換成+5、+9、-9、+12V電壓輸出,可獲得比普通線形穩(wěn)壓電源更高的電源轉(zhuǎn)換效率。1.2硬件設(shè)計(jì)1.2.1sqp系統(tǒng)頻率及電路工作原理DC-DC主模塊電路如圖2所示。本模塊在DC-DC降壓電路上采用一級(jí)減壓方式,將24V直流電壓直接降到8V直流電壓,比多級(jí)降壓電路方案提高了電路的供電效率。此模塊主要由SG3525、8050和BUCK拓?fù)潆娐方M成。SG3525電路主要輸出可調(diào)占空比的12VPWM波形,PWM的輸出由8050進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并且電平反相,再與BUCK拓?fù)潆娐方M成DC-DC主模塊的開(kāi)關(guān)電源。SG3525是一個(gè)可調(diào)PWM頻率的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)PWM占空比的芯片。SG3525的PWM輸出引腳有OUTA(引腳11)與OUTB(引腳14),OUTA引腳和OUTB引腳分別產(chǎn)生fOUTA與fOUTB。它們的頻率之和等于系統(tǒng)振蕩頻率fOSC,所以fOUTA為fOSC的一半。考慮到三極管的損耗和電感、電容的值之間的設(shè)計(jì)問(wèn)題,fOUTA在30~50kHz范圍(即fOSC=60~100kHz)比較適當(dāng)。SG3525芯片的系統(tǒng)頻率的公式為:再根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的CT、RT和RD范圍,計(jì)算可得:CT(C5)=3900pF,RT(R3)=5.1kΩ,RD=200Ω。由這些數(shù)據(jù)可得fOSC=66kHz,fOUTA=33kHz。IN-(引腳1)和IN+(引腳2)是PWM可調(diào)占空比的輸入引腳,兩個(gè)引腳經(jīng)過(guò)誤差放大器,再進(jìn)PWM比較器,本系統(tǒng)通過(guò)可調(diào)節(jié)電阻分出的電壓,作為IN+的基準(zhǔn)電壓,再由BUCK結(jié)構(gòu)的輸出端采集反饋電壓V_FB作為IN-的比較電壓。SG3525系統(tǒng)振蕩頻率占空比可調(diào)范圍在0%~100%,而fOUTA的占空比則是在0%~50%的范圍內(nèi)。8050作為SG3525與BUCK拓?fù)涞臉蛄?將SG3525輸出的12V電平轉(zhuǎn)換成24V電平PWM并對(duì)電平進(jìn)行反相。BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由PNP型達(dá)林頓三極管2SB1020,二極管,電感和電容組成。輸出電壓與導(dǎo)通時(shí)間的公式為:式中:VO是輸出電壓,VIN為輸入電壓,TON為導(dǎo)通時(shí)間,T為全周期)。8V/24V=33%,所以導(dǎo)通時(shí)間要在0%~50%的范圍內(nèi)。因?yàn)榻?jīng)8050反相后的占空比為50%~100%的PWM與低電壓導(dǎo)通PNP型三極管相連,所以三極管的導(dǎo)通時(shí)間占總周期的比值可在0%~50%內(nèi)。BUCK模塊上采用的繞組的扼流線圈加上鐵氧體磁芯的電感L1,電感的計(jì)算公式為:式中:VON=24V-8V=16V,實(shí)際頻率f=33kHz,D=8/24=1/3,由此可得電感L1為150μH。負(fù)載并聯(lián)電容C9主要是儲(chǔ)能穩(wěn)壓,在Q1不導(dǎo)通階段的輸出電壓UO也是穩(wěn)定的直流電壓。C7、R11和C8、R12組成的電路主要是濾高頻噪聲;在輸出電壓VO與GND通過(guò)R13與R14進(jìn)行分壓,取出電壓V_FB反饋給SG3525芯片,調(diào)節(jié)PWM的占空比。J4口是8V恒壓輸出。1.2.2dm反饋電路DC-DC從模塊電路原理圖如圖3所示,本模塊采用電流跟隨模式,它的基本原理和設(shè)計(jì)參數(shù)基本與BUCK從模塊一樣。不同的就是PWM反饋電路:主模塊是自身輸出電壓V_FB作為反饋電壓,分壓式電壓V_S作為基準(zhǔn)電壓;從模塊的J5接口給外部控制基準(zhǔn)電流,單片機(jī)通過(guò)控制D/A模塊,輸出電流信息作為基準(zhǔn)電流I_S;從模塊經(jīng)過(guò)電流-電壓測(cè)量模塊轉(zhuǎn)換成電流信息I_FB,輸入給J6接口,I_FB與I_S相比較并自動(dòng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了I_S電流跟隨著I_FB的電流。1.2.3運(yùn)放控制器設(shè)計(jì)測(cè)量主要是對(duì)電流-電壓進(jìn)行測(cè)量。其中對(duì)兩個(gè)測(cè)量的模塊采用了高邊采樣方法,這種結(jié)構(gòu)可以測(cè)量高邊電流,將一個(gè)0.1Ω、5W電流采樣電阻串聯(lián)在要測(cè)量的高邊回路中,將采樣電阻兩端的電壓經(jīng)兩個(gè)10kΩ電阻作為運(yùn)放OP37的輸入端,運(yùn)放把采樣的電壓放大200倍。而對(duì)總流測(cè)量的模塊采用了低邊采樣,將一個(gè)0.1Ω、5W電流采樣電阻聯(lián)在要測(cè)量的低邊回路中,將采樣電阻兩端的電壓經(jīng)兩個(gè)1kΩ電阻作為運(yùn)放OP37的輸入端,運(yùn)放把采樣的電壓放大200倍。它與LM358運(yùn)放組成了比較電路,輸出總電流與參考數(shù)據(jù)比較,當(dāng)輸出總電流大于4A,就會(huì)啟動(dòng)過(guò)保護(hù)裝置?？刂撇糠种饕蒁/A芯片和運(yùn)放芯片組成,如圖4所示。從DC-DC主模塊采樣到的電流I1數(shù)據(jù)由J4口輸入,經(jīng)OP37運(yùn)放1∶1的放大,作為DA的基準(zhǔn)電壓。單片機(jī)通過(guò)I/O口控制DA的輸出電壓,經(jīng)過(guò)U4的放大后,傳送給從模塊的反饋端,作為從模塊的基準(zhǔn)電壓。1.2.4+9v電源電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)供電+5V、+12V電源分別由開(kāi)關(guān)電源集成芯片LM2576-5和LM2576-12電路提供;而+9V電源則由可調(diào)電壓輸出芯片LM2576-ADJ芯片輸出,芯片反饋電壓VREF要在1.23V,將輸出電壓+9V經(jīng)兩個(gè)電阻R1=1.5kΩ和R2=10kΩ分壓可得反饋電壓VREF。負(fù)電壓部分采用MC34063雙極型開(kāi)關(guān)集成電路接成電源反相器,其輸出范圍廣,損耗低。2主機(jī)控制原則2.1ad轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流采集和對(duì)反饋電路的控制。STC12C5A60S2是每機(jī)器周期只需1個(gè)時(shí)鐘的8051,與普通8051代碼完全兼容,編程容易,而且內(nèi)置8路10位AD轉(zhuǎn)換。主控機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示,單片機(jī)STC12C5A60S2通過(guò)外部中斷進(jìn)行鍵盤(pán)掃描,節(jié)省了單片機(jī)的資源并且可以實(shí)時(shí)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。為提供用戶(hù)操作界面,單片機(jī)通過(guò)I/O控制12864液晶,實(shí)時(shí)更新并顯示數(shù)據(jù)。為了讓單片機(jī)采樣到的數(shù)據(jù)更加精確,設(shè)計(jì)了一個(gè)由穩(wěn)壓管TL431組成的輸出標(biāo)準(zhǔn)2.5V電壓的電路,通過(guò)ADC0對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的2.5V電壓進(jìn)行采樣,作為其他采樣的參考數(shù)據(jù),這樣就不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)電壓波動(dòng)而影響采樣數(shù)據(jù)。通過(guò)ADC1、ADC2和ADC3分別對(duì)IO、I1和I2進(jìn)行采樣,每個(gè)采樣到的數(shù)據(jù)都要與標(biāo)準(zhǔn)的2.5V比較,運(yùn)算出更精確的數(shù)據(jù)。單片機(jī)把運(yùn)算結(jié)果傳送到DA模塊,通過(guò)DA模塊反饋DC-DC從模塊。2.2主從模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例的實(shí)現(xiàn)程序框圖如圖6所示,程序剛開(kāi)始對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入死循環(huán)。在全局變量中定義了一個(gè)模式選擇標(biāo)志位flag,如果flag=1,就進(jìn)入了自動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例模式,否則就會(huì)進(jìn)入手動(dòng)設(shè)置電流比例模式。當(dāng)進(jìn)入了自動(dòng)模式后,在每一路AD采樣電流值之前,單片機(jī)就會(huì)先通過(guò)ADC0采樣標(biāo)準(zhǔn)的2.5V電壓值,再采樣電流值,將采樣到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的2.5V電壓值相比較,換算出更精確的電流值。單片機(jī)通過(guò)AD可以采樣到IO(總電流),I1(DC-DC主模塊的電流),I2(DC-DC從模塊的電流)并且通過(guò)12864液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。將采樣到的IO先進(jìn)行判斷,如果IO在0~1A,那么I1∶I2為1∶1;在1~2A,I1∶I2為1∶2;在2~3A,I1∶I2為1∶1.5;在3~4A,I1∶I2為1∶1;如果超出4A,就啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)電路,斷開(kāi)負(fù)載。已知當(dāng)前的IO值和經(jīng)換算后的電流比例I1∶I2,就可以計(jì)算出新的I2值。單片機(jī)通過(guò)DA模塊,將新的I2值反饋給從模塊,從模塊根據(jù)新的I2值自動(dòng)調(diào)節(jié)電流輸出,直到電流輸出為I2的值為止。這樣就實(shí)現(xiàn)了主從模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例的功能。當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)模式,它的實(shí)現(xiàn)原理基本上和自動(dòng)模式是一樣的,只有電流比例設(shè)定方式不同。自動(dòng)模式是通過(guò)程序自動(dòng)判定電流比例,而手動(dòng)模式通過(guò)鍵盤(pán)輸入電流比例(比值在0.5~2)。3測(cè)量結(jié)果及分析本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用EXSOK633