2024全国大学生电子设计大赛国家一等奖A题.docx

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1、2024年全国高校生电子设计竞赛开关电源模块并联供电系统（A题）2011年9月3日摘要本系统以AT1.nCga128为主要限制核心，系统主要由【町/DC变换电路,恒流源限制电路、Dd数模转换模块、电流电压测量模块、电源模块、显示模块、过流过压爱护模块等，DC/DC变换采纳简洁的BUCk变换电路，恒流源限制系统采纳集成运算放大器构成的具有深度负反馈的数字可控直流源。关键诃：Buck电路电流限制D/A开关电源并联AbstractThissystemtakeATmcga128astheprimarjcontro1.core,hcsystemmain1.ybytheDC,DCtransferne(wo

2、rk,theconstantcurrentcontro1.circuit,theiso1.ationndu1.e.(heD/Adigita1.-ana1.ogconversionmodu1.e,thee1.ectriccurrentvo1.tagemeasurementmodu1.e.IhCpowersourcemodu1.e,thedisp1.aymodu1.e,theoverf1.owovervo1.tageprotectionm(x1.u1.candsoon.theDC/DCtransfbmutionusesthesing1.eendtos(irup-1.ikethetransferne

3、twork,theconstantcurrentconro1.sysemusesIheintegrationOperaiiona1.amp1.ifier(oconstitutehashedepthnegxitivefeedbackdigita1.Congi1.ab1.CCOCUrren1.source.供电电源模块DA转换模块电浜电压调节DCDC展块强动镇块单片机控制模块一、方案比较与论证整个系统可以划分为限制模块、DC/DC降压模块、电流限制模块、电压限制模块、隔离模块、电源模块、显示模块、D/A转换模块、电压电流测量模块、过压过流爱护模块等协助模块.为实现不同功能，我们设计了几种不同的方案

4、并进行论证。电压电液检测模块图1.1系统方框图1. DC-DC降压模块的甑与选舞方案一：反激变换器，该拓扑通过变更PWV的占空比，既可以实现升压，也可以实现降压，拓扑本身能防止电流倒滩，而且结构比较简洁，成本也稍低。由于此电路在小功率状况下工作时，变压器的漏感和肖特基二极管的损耗相对较小，所以效率也比较高，但是在频率很高时回路中的电潦连续，筒洁使磁芯内磁通所在周期的重复逐次增加，导致磁芯的饱和。方案二：推挽式（变压落中心抽头），这种电路的特点是：对称型结构，脉冲变压器原边是两个对称级圈，两只开关管接成对称关系,轮番通段.高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、输出功率大，两管基极均为低电平，

5、驱动电路简洁。假如电流不平衡，变压器有饱和的危急，变压器绕组利用率低对开关管的耐凉只要求比较高（至少是电源电JK的两倍）。方案：BUCk型DCT）C降压斩波电路，这种电路简洁实现，如图所示：图1.2BUCk降压斩波电路方案比较：方案一技术成熟，但由于电路结构上的缘由，很难调试，方案二干扰较小但是较难达到较高的指标且变压器有易饱和的危急，方案：结构简洁，调试使利，限制简洁.所以采纳方案.三.1.2 电流均流限制的选界方案一：采纳软件闭环限制方式。键盘预置电流值，经单片机处理后送入DAC将其转换为电压信号从而限制输出电流.采样电路采集实际输出电流值，再经过ADC转换送回单片机，与预置电流值进行比较

6、并通过适当的限制算法，调整输出电流值使其与设定电流值相等，从而构成闭环限制系统。方案二：采纳硬件闭环限制方案。硬件闭环稳流的典型电路如图1.3所示,采纳单片机来限制集成运放反馈型的电流源，使其电压电流和负载电阻匹配，通过调整负栽即可实现.集成运算放大器是一种i增益的直潦放大器，一般工作在闭环状态只要外接几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用作恒流源，通过负反馈的作用，使加在比较器两端的电压相等,从而保持输出电流的恒定。基准电压可以有手动调整，也可以采纳单片机经过DAC供应，给定不同的基准电压，从而恒定不同的电流值。方案一最大的问题是：若辘入电源电压或负就发生变更，都须要经过一段时

7、间调整后才能使电流稳定。方案选择：方案:硬件电路不仅简洁而且又能快速得实现稳定的电流输出，故本系统实行方案二。1.3 均流方案的论证由于该系统是由两路DC/X输出构成的并联电源系统，来增大输出电流和输出功率。开关电源要实现并联就必需解决功率安排的问题，即均流技术的实现。该系统每条支路都可以等效为个电压源和个电流源的并联,总系统相当于两个恒流源的并联“开关电源并联系统中最常用的方法有外部特性下垂法、主从电源法、按平均电流自动均流法，此外还有特地为并联均流设汁的限制芯片，这些方法重点是提高并联系统的均流度，对于和负载一起组成的系统其输出电流限制基本属干开环状态，旦负载发生变更，其输出总电流也会发生

8、变更，不能满意恒流输出的要求“为J满意输出电流在肯定范围内可调并且能够供应人机交互界面，本电源并联系统中采纳以单片机八TmegaI28为主控芯片的限制器，提裔了可操作性。为了提高反馈电路的信噪比，采纳4个0.1欧/10W的取样电阻，两两小联再并联，来采集输出总电流的大小，转换成电压，送入单片机的AD,单片机依据采样I可来的总电流进入不同的模式自动安排电流比。连接电路如图1.1所示。片控系里机制统AD转换DA转换电流控制系统n电渣控制系统】负载图1.4均流方案的实现1.4测量电路的逸彝由题强可知电压要测输入以、输出电压乩电流要测输入电流，、输出电流/,、两路电流/、1.测显电层我们选择电阻分压后

9、再经过单片机的A/D转换，即可得到电压值。输入电流/、输出电潦心利用特地的芯片侧电流芯片ACS712,利用僚尔效应把电流转化为电压,它们的关系是线性的，通过电压就可测得电流,两路电流/、/通过检测小电网两端的电压来实现，通过=Ur即可得到所测电流值。二、系统理论分析2.1 总体方案的分析题目要求直流输出电感始终保持在8V,而输出电流在变，负戏电阻也在变，这样我们就能通过U=R.调整电流使电流I符合题目要求，调整电阻，电压不变。系统设计框图如图2.1所示，输入电压经DC/DC转换，输出经过两路恒流源电路。两路电源并联为负载供电。单片机限制系统的供电由DC/DC稳压输出线性电源供应5V的电源.恒流

10、源电路完成使输出电流稳定的功能。单片机系统完成人机交互功能，用户通过键就设定输出两路电流的比例，由MciJ处理经DAC转换为限制电压，分别送入两路恒流源从而限制两路输出电流的大小。同在1.CD上显示系统的相关信息。图2.1系统总体框图2.2 理论分析及计算DC/DC电路叁数计算I、开关频率的选择考虑到埴片机的效率和为减小开关管的损耗并得到可接受的高频噪声，经反宓试蛤，选择开关频率为：15k。2,电感的选择依据设计需求，主模块的占空比Dmax=8.4/24=0.35由题目要求输出电流纹波肯定值不大于5%,取=10%由1.=幺1二0,求的电感值为0.913.3mH,取3.3mH。见3、Buck电路

11、电容的选择可以确定与蚊波有关的1.C滤波器传交频率的位置：其中，f为15k,AV=0.8,于是，/,=1.82k。依据C=F4t7,求得电容为C-1350uF,用两个100OUF的代替1.）乜三、电路与程序设计3.1电路的设计kDC/DCBUCk电路的设计BUCk降压电路由电感、电容、开关管、续流二极管组成，其参数如上面计算得到，其输出电压1.=mj拓扑结构为图1.1.PWM信号由单片机产生，驱动芯片运用1R2110来驱动。2,数控恒流源的设计电路原理3.1所示,运用IO位的D/A转换芯片T1.C5615完成DA转换，DAC1024的辨别率充分满意电流精度为小于5%步进的要求。DC的输出限制运

12、放U17和MoS管将电压转换为相应的电流值。同时输出电流流经采样电阻0.1C得到采样电压经运放U18放大21倍后反馈绐运放117,由此形成硬件闭环限制。该闭环限制最终导致运放U17两端的电压相等，而TP3的电压值即为R20两端电压值经U5B放大后的值。因而变更TP2电压值即可变更R20两端电压,从而限制潦经R1.的电流值。采样电阻选择：对电阻而言，减额因了rS=实际功率/额定功率0.5,因此电阻的功耗I2K应尽量小，同时应避开温度过高引起阻值变更过大使得输出电流值产生偏差。鉴于以上考虑，此电路选用0.1Q/IOW的电阻。为避开采样电阻通过大电流时发热引起阻值变更影晌输出电流，本电路将4个0.1

13、IOW的电阻两两并联后再串联接入电路，如此可提高电源输出电流稳定性。图3电流源电路3、均流部分设计由于采纳两路DC/DC供电系统,并且感目要求两路并联供电，则要求两路供电系统的协同工作，并且电流要均衡安排。该系统的两路电流连接结构如图3.2所示，将负载接到MOS管的D极，这样做使S极采样不为支路电流了。若将负我接到S极，如图3.2（八）所示则两路电流不均衡时可能会相互影响，不能稳定，除非采纳电流传感器进行电流采样.综合考虑本系统采纳f如图3.2(b)所示的电路结构。加上二极管可以实现招两路电潦隔离，是在电流不均流的时候爱护前端DCDC稳压源。4、D/A转换的电路设计我们选择8位电压型D/A芯片

14、T1.C5615,它的外围电路很简洁，采纳一路D/A限制两路并联的恒流源，可以达到的精度_*生幽=0.806酒，此精度达到10242了题目要求的精度。电路图为:T1.C5615SC1.KOUTREFINOUTAGNDDtnVDDVref图3.3D/R转换模块5、协助电源子系统协助电源模块采纳的是1.M2576集成芯片实现+5丫、+15V输出图3.4为+5V的输出：1.ED1.图3.45V供电电源图3.5为可调输出:图3.5可谓电源3.2S/T的设计1、程序功能描述与设计思路进入恒流源功能模式后，单片机首先推断负载是否开路，若仃开路状况，声光报警并文字提示：若无开路则将所设置的电流值ISOt送D

15、RC,限制输出电流，然后检测负载电压,进行过压检测和爱护。将设置电流值ISe1.送DAC后,检测输出负载两端电压，过压将限制DC-DC中MoS关驱动信号PWM的信号，将MoS管断开,延迟05S,再次检测,复原ISet值接着正常供电。2、程序潦程图图3.6程序流程图四、测试方案4.1窝试条件与仪器测试仪器及设备如表I.I仪器名称用途数量计算机调试程序1数字万用表测试电压电流5亳伏表测试水纹电压14.2基本部分1、额定输H1功率下,供电系统的直流输出电J口、效率Uin负载输出电压输出电潦效率24V2欧8.034.275%2、输出8V,输出总电流为1八，H：12=1：1测试项目测试条件测试记录备注输出电流I=IAUi=24V设置输出电流1.,（八）实际输出电流Q（八）负载电阻为8Q().50.4950.50.500电支路电潦比例1：1电压输出Uo=8.03V电流的相对误差肯定值1%3、输出8V,输出总电流为1.5A,II：12=1：2时测