dc-dc開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)設計

dc-dc開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)設計

隨著技術(shù)的發(fā)展，低壓dc-d電源的功率越來越大，傳統(tǒng)的單d-d電源無法滿足需求。本系統(tǒng)采用了DC-DC開關(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DC模塊為恒壓源,另一個DC模塊則為可控電流源,這種結(jié)構(gòu)可以輕松實現(xiàn)恒定電壓輸出,并且兩個模塊可調(diào)電流輸出供電。1系統(tǒng)設計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DC-DC主模塊轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣?V電壓給負載供電,同時對各模塊的輸出電流進行采樣,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,以實現(xiàn)電流跟隨。為了對兩個模塊的輸出電壓與輸出電流進行實時監(jiān)督,各電流-電壓檢測模塊將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,單片機通過內(nèi)部A/D采集這些信息,并且進行處理和對各模塊進行控制。單片機根據(jù)鍵盤的輸入選擇自動調(diào)節(jié)電流比例模式或手動調(diào)節(jié)電流比例模式,傳遞相應的數(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,達到了兩個模塊的電流可調(diào)比例的輸出。在這個過程中,單片機都可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)和通過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硬件設計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減壓方式,將24V直流電壓直接降到8V直流電壓,比多級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拓撲電路組成。SG3525電路主要輸出可調(diào)占空比的12VPWM波形,PWM的輸出由8050進行電平轉(zhuǎn)換并且電平反相,再與BUCK拓撲電路組成DC-DC主模塊的開關(guān)電源。SG3525是一個可調(diào)PWM頻率的反饋自動調(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、電容的值之間的設計問題,fOUTA在30~50kHz范圍(即fOSC=60~100kHz)比較適當。SG3525芯片的系統(tǒng)頻率的公式為:再根據(jù)數(shù)據(jù)手冊給出的CT、RT和RD范圍,計算可得: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,兩個引腳經(jīng)過誤差放大器,再進PWM比較器,本系統(tǒng)通過可調(diào)節(jié)電阻分出的電壓,作為IN+的基準電壓,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拓撲的橋梁,將SG3525輸出的12V電平轉(zhuǎn)換成24V電平PWM并對電平進行反相。BUCK拓撲結(jié)構(gòu)是由PNP型達林頓三極管2SB1020,二極管,電感和電容組成。輸出電壓與導通時間的公式為:式中:VO是輸出電壓,VIN為輸入電壓,TON為導通時間,T為全周期)。8V/24V=33%,所以導通時間要在0%~50%的范圍內(nèi)。因為經(jīng)8050反相后的占空比為50%~100%的PWM與低電壓導通PNP型三極管相連,所以三極管的導通時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,電感的計算公式為:式中:VON=24V-8V=16V,實際頻率f=33kHz,D=8/24=1/3,由此可得電感L1為150μH。負載并聯(lián)電容C9主要是儲能穩(wěn)壓,在Q1不導通階段的輸出電壓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R13與R14進行分壓,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,它的基本原理和設計參數(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作為基準電壓;從模塊的J5接口給外部控制基準電流,單片機通過控制D/A模塊,輸出電流信息作為基準電流I_S;從模塊經(jīng)過電流-電壓測量模塊轉(zhuǎn)換成電流信息I_FB,輸入給J6接口,I_FB與I_S相比較并自動調(diào)節(jié),實現(xiàn)了I_S電流跟隨著I_FB的電流。1.2.3運放控制器設計測量主要是對電流-電壓進行測量。其中對兩個測量的模塊采用了高邊采樣方法,這種結(jié)構(gòu)可以測量高邊電流,將一個0.1Ω、5W電流采樣電阻串聯(lián)在要測量的高邊回路中,將采樣電阻兩端的電壓經(jīng)兩個10kΩ電阻作為運放OP37的輸入端,運放把采樣的電壓放大200倍。而對總流測量的模塊采用了低邊采樣,將一個0.1Ω、5W電流采樣電阻聯(lián)在要測量的低邊回路中,將采樣電阻兩端的電壓經(jīng)兩個1kΩ電阻作為運放OP37的輸入端,運放把采樣的電壓放大200倍。它與LM358運放組成了比較電路,輸出總電流與參考數(shù)據(jù)比較,當輸出總電流大于4A,就會啟動過保護裝置。控制部分主要由D/A芯片和運放芯片組成,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運放1∶1的放大,作為DA的基準電壓。單片機通過I/O口控制DA的輸出電壓,經(jīng)過U4的放大后,傳送給從模塊的反饋端,作為從模塊的基準電壓。1.2.4+9v電源電路設計系統(tǒng)供電+5V、+12V電源分別由開關(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)兩個電阻R1=1.5kΩ和R2=10kΩ分壓可得反饋電壓VREF。負電壓部分采用MC34063雙極型開關(guān)集成電路接成電源反相器,其輸出范圍廣,損耗低。2主機控制原則2.1ad轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片實現(xiàn)了對電流采集和對反饋電路的控制。STC12C5A60S2是每機器周期只需1個時鐘的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。主控機的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示,單片機STC12C5A60S2通過外部中斷進行鍵盤掃描,節(jié)省了單片機的資源并且可以實時對鍵盤進行掃描。為提供用戶操作界面,單片機通過I/O控制12864液晶,實時更新并顯示數(shù)據(jù)。為了讓單片機采樣到的數(shù)據(jù)更加精確,設計了一個由穩(wěn)壓管TL431組成的輸出標準2.5V電壓的電路,通過ADC0對標準的2.5V電壓進行采樣,作為其他采樣的參考數(shù)據(jù),這樣就不會因為系統(tǒng)電壓波動而影響采樣數(shù)據(jù)。通過ADC1、ADC2和ADC3分別對IO、I1和I2進行采樣,每個采樣到的數(shù)據(jù)都要與標準的2.5V比較,運算出更精確的數(shù)據(jù)。單片機把運算結(jié)果傳送到DA模塊,通過DA模塊反饋DC-DC從模塊。2.2主從模塊自動調(diào)節(jié)電流比例的實現(xiàn)程序框圖如圖6所示,程序剛開始對各個模塊進行初始化,然后進入死循環(huán)。在全局變量中定義了一個模式選擇標志位flag,如果flag=1,就進入了自動調(diào)節(jié)電流比例模式,否則就會進入手動設置電流比例模式。當進入了自動模式后,在每一路AD采樣電流值之前,單片機就會先通過ADC0采樣標準的2.5V電壓值,再采樣電流值,將采樣到的結(jié)果與標準的2.5V電壓值相比較,換算出更精確的電流值。單片機通過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12864液晶進行實時顯示。將采樣到的IO先進行判斷,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,就啟動自動保護電路,斷開負載。已知當前的IO值和經(jīng)換算后的電流比例I1∶I2,就可以計算出新的I2值。單片機通過DA模塊,將新的I2值反饋給從模塊,從模塊根據(jù)新的I2值自動調(diào)節(jié)電流輸出,直到電流輸出為I2的值為止。這樣就實現(xiàn)了主從模塊自動調(diào)節(jié)電流比例的功能。當進入手動模式,它的實現(xiàn)原理基本上和自動模式是一樣的,只有電流比例設定方式不同。自動模式是通過程序自動判定電流比例,而手動模式通過鍵盤輸入電流比例(比值在0.5~2)。3測量結(jié)果及分析本次測試實驗采用EXSOK633