1、.2011年全国大学生电子设计竞赛设计报告开关电源模块并联供电系统（A题）摘要： 本供电系统采用开关电源芯片 TPS5430 为核心制作的两路DC-DC开关电源，由ATmega16作为系统的主控制电器。利用MAX531加电压放大器接入TPS5430的电压反馈端口，通过单片机控制MAX531改变电路的反馈端，自动控制调节稳定输出电压。进而改变电流，使电流实现自动分配。该系统电路简洁，输出电压稳定，输出电流可调且稳定可靠，纹波小，高效率，具有输出过流保护功能等特点。在实际应用中能解决电流自动分配的问题，具有一定的实用价值。关键词： DC-DC TPS5430 自动分配电流 高效率一、系统的方案论证
2、1电源变换拓扑方案论证方案一、采用单片机PWM控制采用单片机产生PWM波,控制N-MOSFET 的导通与截止。根据A/D采样反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在金属壳电阻上取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，而且输出电压不稳定实现起来比较困难。方案二、采用脉宽调制控制器TL494该芯片可推挽或单端输出，最高工作频率为300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，输出级的拉、灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，能实现电流模式控制，方便做过流保护。但由于 BU
3、CK 型拓扑的 MOS 管驱动需外加上管驱动芯片IR2110，而 IR2110 会有0.2W 左右的功耗，会降低系统的效率。方案三、采用 TPS5430采用 TI公司的 BUCK 型DC/DC 芯片 TPS5430，其最大输出电流3A，内部集成有驱动电路和 1.221V 基准源，固定工作频率 500KHz，效率高达 95%。用 TPS5430 可使电路结构简单，只需要配合少许外部元件便可精确、稳定地得到输出电压，可靠性高，且在高的工作频率减小了对电容和电感的要求。综合比较，为了能使系统具有较高的效率和可靠性，所以我们采用更为可靠、稳定的TPS5430 芯片作为DC-DC 模块的主器件。2电流方
4、案论证与选择方案一、下垂法下垂法（又叫斜率法）是最简单的一种均流方法，电路结构如图1 。其原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。由图2可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。但此方法小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善；对本系统而言，我们希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法只适合应用在均流精度大于或等于10的场合；很难达到 5%的均流效果。 图1 图2 方案二、主从均流法 环内调整结构的主从均流法。把主模块作为基准模块，从模块接入电
5、压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。控制MAX531输出的电压使电压放大器调节从模块的反馈电压降低，从而调整输出电压使之稳定在规定的范围内。所以不管负载电流如何变化，各模块的电压总是保持相等的。采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少，易于控制。综合比较，方案二只需通过单片机控制MAX531输出电压改变电压放大器，从而改变模块的反馈电压，使模块通过调整电压达到输出范围，进而改变电流，实现自动分配。因此，我们采用方案二。3A/D转换芯片的比较与选择方案一、采用MAX187 MAX187是串行12 位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受05V 的模拟输入。MAX187 为逐次
6、逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3 线串行接口。MAX187 转换速度为75Ksps。通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。MAX187 有内部基准，优异的AC 特性和极低的电源消耗，能应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。方案二、采用ATmega16内部ADCATmega16内部带有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以 0V (GND) 为基准。另外还支持16路差分电压输入组合，但精度不高。综合比较，使用MAX187精
7、度远远超过要求，但本系统需要进行4路A/D采样，需要4片MAX187，成本较高，而且电路设计重复，降低了效率。因此，我们采样方案二，既节省了资源，也符合题目精度在4%左右的要求。二、 理论分析与计算1. DC-DC电源的设计与计算经过分析题目后，我们决定做两路对称的 DC/DC模块电源给后级供电。题目要求输入电压为24V，输出电压为8.0V，由于 BUCK电路要求接入负载后输出的电压压差小于0.4V，所以采用 TI 公司的开关电源芯片TPS5430,其开关频率为500KHz，内部基准电压 1.221V，通过控制基准电压调整输出电压，使输出稳定，可获得较高效率。电压变换的单路电路如图3所示。输出
8、电压计算公式： R1+Res Tap1Vo=1.221*（1 + ） R22. 电流电压检测的设计 网络标签TPS5430_Vsense为TPS5430反馈端，AV为电压放大器的输出端口，RL为负载（滑动变阻器）。电路通过调整输出电压的高低来影响TPS5430的反馈电路，从而使电路的输出进行调节到稳定，如图4所示。图4 电流电压检测原理图3. 均流方法的设计TPS5430反馈电路加R2到地，通过MAX531控制电压放大器降低电压。此时有附加电流流过R1后，Rf点电压下降，从而基准电压也下降，而不再是1.221V。为了使 VSENSE恢复到1.22V，TPS5430将增加PWM脉冲宽度，增加 U
9、out从而使输出电压稳定，然后提高该路电流输出，达到自动流的目的。图3 输出电压稳压原理图4.纹波测试方法两路电源独立工作，上电后接上负载，将示波器的两探头分别接到两路电源的输出端，调节示波器至 mV 档，然后将负载从轻载缓慢的调至重载，记录下示波器显示的最大峰峰值 Vpp，即最大纹波。测试结果见表1。表1 纹波系数检测测试点200mA618mA973mA1152mA1647mA2024mV主路20mV20mV24mV25mV25mV27mV从路20mV20mV24mV25mV25mV27mV并联20mV20mV24mV25mV25mV27mV4.过流保护电路的设计本供电系统的过流保护电路主要
10、通过软件来控制。预先设定一个电流4.5A过流保护点，通过A/D采样，把数据传送到单片机上，计算电路的流过负载电流值。当电流达到过流保护点时，单片机控制DC-DC模块的使能，使芯片停止工作，同时使蜂鸣器导通发出警报。当故障点解除后，电路自动恢复工作。三、 系统设计1总体系统框架设计DC-DC电源模块输出的电压通过A/D转换器进行取样，把数据送到单片机。假如输出电压减少，单片机控制D/A转化器调节控制电压放大器，使电源模块的反馈端发生改变，TPS5430进行自动调节使电压稳定。另外，可通过按键来键入电流比例。系统总体框架如图5所示。A/D转换器D/A转换器ATmega16单片机电压放大器LCD显示
11、按键DC-DC电源模块OUT图5 系统总体设计框架图2.硬件部分（1）主控制电路 图6 主控制电路原理图由ATmega16单片机作为主控芯片，片内资源丰富，方便扩展外围电路。使用ISP在线下载方便程序下载调试。采用LCD12864显示。（2）DC-DC电源模块电路图7 DC-DC电源模块原理图以TPS5430作为核心芯片，通过改变外围器件的数值，改变电压电流，使之达到题目要求的指标。（3）调节控制电路图8 调节控制电路通过单片机控制MAX531的输出电压，改变电压放大器的电压，使之与DC-DC模块的反馈端产生电压差，从而改变模块的输出电压。3.软件设计软件实现可电压调节，实现电压稳定，电路自动
12、分配的流程图。主程序开始系统初始化自动分流按键按下显示结果符合要求NY调整反馈电压控制输出电压检测与比较达到自动分流图9 电压稳定，电路自动分配的流程图4.测试结果（1）输出电压Uo： 8000180 mV。（2）输出电流调节范围：最小输出电流最大输出电流主路100mA2.5A从路100mA2.5A并联200mA4.5A（保护）（3）自动分配电流偏差测试结果；次数主路输出电流mA从路输出电流mA并联输出电流mA11241242482418418835375575615104102410242046513071310261961618162132407204520444095四、结论综上所述，经
13、过对系统的检测，我们小组的作品实现了题目的大部分要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，比如输出电压误差绝对值范围在0.1V以内，纹波系数远低于普通的开关电源纹波系数等。但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局和抗干扰方面还有待提高，相信经过改进之后效率会有进一步的提升。本次比赛让我们得到了锻炼的机会，极大地提高各方面的能力。尽管在比赛中我们遇到了很多困难和障碍，但总体上是成功与失败交替，希望与困难并存。经过这次比赛，我们知道了自己的不足，我们将继续努力，争取获得更大的进步。五、参考文献1 康华光.电子技术基础-模拟部分M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.
14、2 杨龙麒.电子测量技术M.第三版.北京：人民邮电出版社，2009.3 铃木雅臣. 晶体管电路设计M.北京：科学出版社，2006.5 刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2008附录一：图10 ATmega16控制电路原理图图11 TPS5430开关电源模块附录二：主要元器件清单开关电源TPS5430 单片机ATmega16 LCD12864液晶 MAX531 金属壳电阻 1N5822 LM2596 100uH绕线电感等附录三：单片机主程序#include #include #include #define uchar unsigned char#defin
15、e uint unsigned int#define ulong unsigned longuint time1=0;uchar flage=0,flage1=0;#includescan.h#includelcd12864.c#includead.c#includemax531.c#include timer1.h#include init.hvoid sys_init() DDRB|=0xB3; DDRD |= 17; DDRA |= 17; DDRA |= 16; PORTD |= (17); PORTA |= (17); PORTA |= (16); SPCR=0x50; init12
16、864(); desplay12864chars(1,2,欢迎使用); desplay12864chars(3,1,开关电源模块); desplay12864chars(4,1,并联供电系统); delay(300); init12864(); timer1_init(); desplay12864chars(1,0,输出电压: ); desplay12864chars(1,7,mV); desplay12864chars(2,0,电 流 1: ); desplay12864chars(2,7,mA); desplay12864chars(3,0,电 流 2: ); desplay12864c
17、hars(3,7,mA); desplay12864chars(4,0,I1 : I2 = ); desplay12864chars(4,6,: );void timer1_init(void) TCCR1B = 0x00;/停止定时器 TIMSK |= 0x04;/中断允许 TCNT1H = 0xC2; TCNT1L = 0xF7;/初始值 TCCR1A = 0x00; TCCR1B = 0x04;/启动定时器 SEI();/开全局中断#pragma interrupt_handler timer1_ovf_isr:9void timer1_ovf_isr(void) TCNT1H = 0x
18、C2; TCNT1L = 0xF7;/初始值 flage=1; flage1=1;void guol(uchar a)if(a)PORTD |= (17);PORTA &= (17);PORTA &= (16);elsePORTD &= (17);PORTA |= (17);PORTA |= (1=99)bili1=99; if(key=2) bili1-;key = 0;if(bili1=99)bili2=99; if(key=4) bili2-;key = 0;if(bili2=0)bili2=1; ad_data0 = mega16_ad(0)+50;/ ad_data1 = mega16_ad(1)+50;/+40 ad_data2 = mega16_ad(2)-30;/ ad_data3 = mega16_ad(3)+255;/ ad_data4 = mega16_ad(4)-5;/+30 vcc1 = (abs(ad_data1 - ad_data0)-20)*bili2; vcc2 = (abs(ad_data3 - ad_data2)-20)*bili1; dianl
