全国大学生电子设计大赛报告

全国大学生电子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 大赛报告 题目名称:开关电源模块并联供电系统(A 题) 摘要 开关电源模块并联供电系统是采用8位Atmega88的开关电源，主电路采用 LM2576和LM2596作为两块并联的开关电源。LM2576作为恒压源，LM2596 作为恒流源。该两块开关电源保证系统的效率，电流电压调整率和输出精度要求。 系统具有限流保护功能，HD7279键盘输入输出等多种功能。该系统主要采用硬 件反馈调节，调整能力强，使单片机负载小。 本系统功能完善，在支路在0.5-2A输出范围LM2576 as the voltage source, LM2596 as a constant current source. The two 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 load. 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 achieve 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 1 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证与比 较 ...................................................................................................... 3 1.1 系统方案论证 ..................................................................................................... 3 1.2 过流保护方案论证 ............................................................................................. 5 2 系统设 计 .................................................................................................................. 6 2.1 总体设计 ............................................................................................................. 6 2.2 单元电路设计 ..................................................................................................... 7 2.2.1 数字电位器电路设计 ................................................................................... 7 2.2.2 AD转换电路设计 ........................................................................................ 8 2.2.3 恒流部分电路设计 ..................................................................................... 10 2.2.4 恒压部分电路设计 ..................................................................................... 12 3 软件设计 ................................................................................................................ 13 4 系统测试 ................................................................................................................ 15 5 结论 ........................................................................................................................ 17 参考文献: .................................................................................................................. 17 附录: .......................................................................................................................... 17 附1:元器件明细 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf : ........................................................................................... 17 附2:仪器设备清单 ............................................................................................... 17 附3:电路图图纸 ................................................................................................... 17 2 1 方案论证与比较 1.1系统方案选择 题目 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 : 根据题目要求，负载端电压为8V，允许误差为0.4V。题目要求两个支路电流 比可调，即两个开关电源的内阻可调。所以两种基本方案:直接改变开关电源内 阻;通过调整开关电源输出电压，间接改变内阻。要求效率要大于60%，所以要 选用大于60%的开关电源并联是可行的。电源应该具有掉电保护功能，可以用 EEPROM来记忆系统重要参数。系统还应该具有掉电保护功能，可以通过MCU 控制LM2596和LM2576的ON/OFF管脚来实现对电路的过流保护。 方案选择: 方案一、 该系统首先对通过负载的电流和负载两端的电压进行采样返回到MCU，计算 出当前负载，然后根据已知的分流比，计算出和。单片机通过对开关板电压的采 样稳定住两个开关电源的输出。然后计算出两个开关电源串联的可变电阻的阻值 的大小。通过MCU改变可变电阻的大小。 方案分析:其中，根据题目要求，通过可变电阻的电流要0.5-2A，可变电阻要 是大功率电阻。而实际中，数字电位器并不能承受大电流。所以不能采用数字电 位器。另外一种方法是通过继电器控制一些列的大功率电阻的导通和关闭。这种 方案涉及的电路的设计比较少，虽然简单，实际中也没有采用。 3 方案二、 该系统采用两块开关电源，在其输出端加保护电阻。由MCU检测负载两端电压和电流，计算出当前负载，然后计算当负载两端为8V时的，通过负载应该为多大电流。然后根据输入的分压比，计算两个支路应该输出的电流。然后根据保护电阻的阻值，确定损失在保护电阻的电压。最后通过单片机控制开关电源的电压输出。其中，对开关电源的输出采用PID控制技术。 方案分析:该电路灵活性比较好。能满足题目的要求，甚至，可以任意更改需要稳定的电压值(本题中为8V)。但是该电路控制起来非常复杂，总共四路采样，三路PID。主控制芯片为ATmega88，处理能力很可能会满足不了在规定时间内稳定的条件。所以没有采用该方案。 方案三、 该系统采用开关恒流源和开关恒压源的方案。单片机对主干路和恒流源支路进行两路电流采样。该系统采用具有自调整功能的开关电源构建恒流源和恒压源。其中，恒压源负责稳定输出电压，由单片机控制恒流源的电流，由恒 4 压源补充剩下的电流。这样，即保证了恒压输出的要求，由恒流源保证了分流比。 方案分析:该方案简单可行，单片机负载小，电路多采用硬件自调整，因而具有很好的可行性。由单片机控制恒流源输出也更具有精准性和可调整性。 1.2过流保护方案选择 方案一: 利用电磁继电器作为开关，控制总电路通断，当电流值超过4.5A时，程序控制继电器关断，实现过流保护。 方案分析: 此方案合理，但是需要另加电磁继电器，对功率有一定损耗，也增加了硬件成本，虽然可行，但是并不最优。 方案二: 直接利用lM2596-adj 和LM2576-ADJ 的on/off 端，实现对电路的控制。当电 on/off端拉高，芯片停止工作，等待，单片机电流检测点降至流超过4.5A时， 2.0以下时，芯片继续工作。 方案分析: 此方案实现简单，无需外加硬件，功率损耗小，但是，两芯片同时关断后，单片机无法正常供电，无法实现自动恢复。 方案三: 利用LM2596和LM2576的on/off端，通过MCU，控制引脚高低电平，实现过流保护，单片机通过一个单独的LM2596-5 供电，即使关断开关电源两路输出，单片机也将正常工作。 方案分析: 此方案硬件上略有增加，但是切断了单片机和开关电源的电器联系，不仅有利于过流保护，还对整个电路的电气特性有很好的改善作用。故选择这种电流保护和自动恢复方式。 5 2 系统设计 2.1 总体设计 系统框图如下: 6 系统电路图 2.2 单元电路设计 2.2.1 数字电位器电路设计 MCP41010的内部结构 MCP41010的内部含有:SPI总线接口、一个POT(电位器)。POT内有一个8 b滑刷控制数据寄存器。该电阻最大值可为10k?，50k和100k?，单位电阻为量程除以256。题目实际采用的是10K?。 MCP41010的控制方式 MCP41010具有SPI总线接口，采用简单的2 B指令结构。它的控制方式非常简单，可以采用SPI总线通信，也可以采用软件模拟SPI总线时序。 MCP41010的指令格式 MCP41010的指令非常简单，由两段组成每段均有一个字节:第一段为命令字节，第二段为数据。命令字节中第2，3位和6，7位为无效位，不用对其操作;C1，C0为指令选择位;P1，P0为电位器选择位，由于MCP41010只集成了 7 一个电位器，所以P1，P0必须设为01。在MCP41010中，C1，C0为01时为写数据指令;C1，C0为00或11时为空操作;C1，C0为10对应关闭模式用于 ，数据字MCP42XXX系列数字电位器。在MCP41010中写命令字节通常为0x11段为8 b,s数据，可以置滑动端到256个端点中任何一个，因此精度非常高。 MCP41010的指令序列传输 先写命令字节再写数据字节。为数字电位器片选端，只有为低电平时，命令字和数据字才能进入16位移位寄存器。当出现上升沿时，移位寄存器的值进人数据寄存器，从而改变了电位器阻值。SCK为时钟线，数据在SCK的上升沿进入SI数据线。器件会在上升沿时自动监测低电平时SCK的脉冲数，也就是上升沿的个数，只有时钟数为16的倍数时，命令才能执行，否则命令失效。一个完整的MCP41010写时序包括以下几个部分: (1)起始位。以为低电平，SCK出现上升沿为起始标志。 (2)传送MCP41010的命令字段。 (3)传送8 b的数据字段。 (4)停止位。以SCK为低电平，CS出现上升沿为SPI总线传输结束标志。 【计算公式:】 Command为 0x11时选用10K欧姆范围，PB0有效。 理论输送BYTE理 = 电阻值R*(255/10); 但是实测数字电位器输出范围不到10K，仅为9.3K欧姆，因而修正后得到: 实际输送BYTE 实= 电阻值R*(255/9.3); 8 2.2.2 AD转换及控制模块电路设计 【电路图:】 先将小电阻采得的小电压经MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887进行采样，将转换的数据送mega8进行处理。 MAX4172概述: MAX4172是MAX系列电流检测放大器芯片中的一款低成本、高精度、高边电流检测放大器。 MAX4172通过一个外接测流电阻R，来检测负载电流，改变测流电阻的阻值即可对不同负载 电流范围进行一个大范围的输出电压和电流。 其最终输出电流公式: I_out=G_m*I_load*R_sense 输出电压公式: V_out=G_m*R_sense*R_out*I_load 其中，Vout 为所要求取得输出电压，Iload为需检测的负载电流，Rsense为测流电阻，Rout为电压调整电阻，Gm为MAX4172的跨导，其值为10毫安每伏。 1(测流电阻R_sense的选取: 9 测流电阻 R_sense的选取有两个方面的含义:一方面是指R_sense 阻值的选取, 另一方面是指R_sense采取哪种方法实现。 测流电阻R_sense阻值的选取主要基于以下几个原则:一电压损失。高R_sense 阻值将会使电源电压降低。为了使电压损失最小, 需选用阻值尽量小的R_sense 。二精确性:高R_sense 阻值可使较低的电流被更精确地测量。这是因为当检测电压较大时偏差就变得不显著。为了达到最好的性能, 可选取R_sense阻值为满刻度。检测电流时能提供检测电压接近100mV(满刻度检测电压的典型值)的阻值, 即R_sense?100mV/I_load。三、效率和功率耗损。当电流较高水平时, 测流电阻+, ?] ,? 上的功率损失将比较显著, 选择电阻时需要考虑这个问题,该电阻的额定功率损耗也必须考虑。同时,当该电阻由于功率较高温度升高时, R_sense的阻值也 会产生温度漂移。 在选取测流电阻的阻值时, 以上的三个问题需要综合考虑, 阻值过高或过低都不利流的检测。最终, 根据以上讨论和系统需要,本电路选取阻值为 干路上0.02欧，恒流支路上为0.04欧的测流电阻 。 2.电压调整电阻Rout 的选取: 电压调整电阻Rout 的值确定了满刻度输出电压范围，而由要求的满刻度输出电压必须小于等于芯片电源电压输入减1.2V，故选择MAX4172 干路上接+5V电，支路上接+24V电。 【计算公式:】 MAX4172外设电路非常简单。其实际上为一恒流源，所以在OUT端接一个下拉电阻，进而得到其放大倍数。其关系如下: Vout=Vsense*R/100 其中Vsense为Rs+和Rs-端输入的电压差 采样芯片计算公式为 Data=Vref*Vin/4096 其中Vin为要采样的电压 10 2.2.3 恒流部分模块设计 【电路图:】 【计算公式:】 硬件PID过程: 电流I2经采样后转为小电压: Vi2 = V2_POUT —V2_OUT， 经放大得: I_CH2 = Vi2*放大倍数B; 在经过跟随器LM324AD(起隔离作用)得: I_FB= I_CH2; 11 反馈至数字电位器经分压得Vref实，然后芯片自调节使其不断逼近Vref = 1.23伏特。 根据其调整关系，即Vfb=Vref，建立起恒流源输出电流和数字电位器的关系，推到过程如下: 设恒流源输出电流为I，采样电阻为R，max4172放大倍数为β，数字电位器阻值为R2，其分压电阻阻值为R1。 那么经过放大后可得 Vout=I*R*β 经过分压电阻分压后得到的反馈电压为 Vfb=(1+)*Vout 反馈电压等于芯片内部基准源。 Vout=Vfb 联立公式，反解电流I得到 I=Vref**(1+) 在实际中，该电路采用了放大100倍，采样电阻为0.04?，R1=6000?总结得: I=0.3075*(1+6000/Rs)。 12 2.2.4 恒压部分模块设计 【电路图:】 恒压源中，反馈电压等于基准源。其公式如下: Vout=Vref*(1+R2/R1) 此题中R2为10K，R1为1.2K，所以Vout=8V。 13 3 软件设计 软件流程图如下: 主流程图 14 Case 子程序流程图 过流保护流程图 15 4 系统测试 4.1 数字电位器电位-电流测量【Rs-I】(室温条件下) 16 结果分析: 由于室温条件下实测数字电位器的最大阻值(送往寄存器的值为255时)为9.1K欧姆，若影响较大则所以需要修正，然后进行测量，发现误差不大，在+-5%以内。我们以电流值用电流表进行测量，由于精度电表内阻较大因而其实际精确值无法测量，所以我们只能根据范围估计其误差，都在5%以内。 4.2 功率-效率测量(室温条件下) 17 5 结论 最终，回顾这次电子设计，该系统主要的结构设计、软件设计、硬件设计和原器件的选择都有效保证了实验最终的精度和带载能力。硬件设计上，该系统采用了两块具备自调整功能的开关电源，因此把相当大的工作量交给硬件来处理，这样大大提高了系统的响应速度，并且两块开关电源板的效率都很高，最终保证了最终的系统效率。在结构上采用了恒流源和恒压远的模式，清晰明了，控制简单，易实现较高精度。在原器件的选择上，选用了小信号放大能力很强的Max4172，有效地保证了系统的精度，与数字电位器搭配的电阻经过excel多组数据的拟合，最终实现了较高的精度。由于该系统架构设计合理，功能好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。 参考文献: 《开关电源并联均流技术》北京电子信息大学路秋生张艳杰(北京100031); 《模拟电子线路基础》，吴运昌著，广州:华南理工大学出版社，2004年; 《数字电子技术基础》，阎石著，北京:高等教育出版社，1997年; 《数据结构与算法》，张晓丽等著，北京:机械工业出版社，2002年; 《单片机原理及应用》，李建忠著，西安:西安电子科技大学，2002年; 附录: 附1:元器件明细表: 1、LM2576 2、LM2596 3、ATMEGA88 4、AD7887 5、HD7279 6、数码管 18 附2:仪器设备清单 1、低频信号发生器 2、数字万用表 3、数字示波器 4、稳压电源 19