开关电源模块并联供电系统doc.docx
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开关电源模块并联供电系统doc
YibinUniversity
本科生毕业论文（设计）
题目开关电源模块并联供电系统
二级学院物理与电子工程学院
专业电子信息工程
学生姓名 谭海龙
学号080305046年级2008
指导教师甘德成职称讲师
教务处制表
2012年4月15日
目录
摘要III
AbstractIV
第一章绪论1
1.1选题意义及目的1
1.2设计任务1
1.3设计要求2
1.3.1基本要求2
1.3.2发挥部分要求2
第二章本系统总体方案设计3
2.1.系统方案设计与论证3
2.1.1DC-DC变换器方案论证3
2.1.2均流控制方法及实现方案3
2.1.3系统整体框图4
2.2.理论分析与参数计算4
2.2.1DC-DC变换器稳压方法4
2.2.2电流电压检测分析与计算5
2.2.3均流方法的分析6
2.2.4过流保护及自恢复分析6
第三章硬件电路设计7
3.1DC-DC电路设计7
3.2电流采集电路设计8
3.3辅助供电模块设计8
第四章软件设计部分9
4.1IARFOR430简介9
4.2软件流程图9
第五章系统测试11
5.1主要元器件11
5.2测试方法11
5.3测试仪器清单11
5.4负载调整额定功率测试12
5.5系统效率测试12
5.64A均流测试12
5.7任意比分流点测试13
5.8过流保护及自动自恢复功能13
5.9其它功能测试13
5.10误差分析13
第六章总体结论14
致谢15
参考文献16
附录17
控制程序17
摘要
本设计采用超低功耗单片机MSP430F247为主要控制核心部件，应用同步BUCK拓扑结构作为高效率的DC-DC变换；设计并制作了开关电源模块并联供电系统。
应用AMSCS原理和ECM控制模式实现动态均流控制；使用电流并联监视器件INA194作为电流检测；使用高效率TPS5430芯片设计辅助电源。
实现了系统在500mA-4A范围内可自动分配或者手动任意预制两路DC-DC模块的电流比大小并显示相关参数。
系统元件少，性价比高、系统效率高达85%以上、很好的完成了基本部分和发挥部分的要求，本设计获得全国大学生电子设计竞赛国家一等奖。
关键字：
MSP430F247；AMSCS；ECM；动态均流；效率；
Abstract
ThisdesignusesthelowpowerconsumptionMCU,MSP430F247,asthemaincontrolthecorepartandusestheapplicationofsynchronousBUCKtopologystructureashighefficiencyoftheDC-DCtransform.ThedesignismadeupoftheswitchpowersupplymoduleparallelpowersupplysystemandusesAMSCSprincipleandECMcontrolmodeltoachievedynamicallflowcontrol.Thedesignusescurrentparallelsurveillancedevices,INA194,aselectriccurrentdetectionandsuccessfullyusesahighefficiencychip,TPS5430,todesignauxiliarypowersupply.Finallythedesignrealizedthatcurrentcanbesetrangefrom500mAto4AautomaticallyormanuallyarbitrarydistributionprefabricatedaDC-DCmoduleofthecurrentsize,andcandisplayrelatedparameters.Thesystemisconsistoflesscomponent,higherperformancepriceratio,especiallythesystemefficiencyisashighas85%above.Sothesystemaccomplishedthebasicpartandtheexpressionpartsuccessfully.
Keyword:
MSP430F247;AMSCS;ECM;Dynamicallflow;Efficiency;
第一章绪论
1.1选题意义及目的
随着电力电子技术的发展,电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域,涉及到国民经济各行各业。
各种电子装置对电源功率的要求越来越高,对电流的要求也越来越大,开关电源向更大功率方向发展。
研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势。
但受构成电源模块的半导体功率器件,磁性材料等自身性能的影响,单个开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦,但实际应用中往往需用几百千瓦以上的开关电源为系统供电。
因此,大功率电源系统需要用若干台开关电源并联运行,以满足负载功率的要求。
同时考虑分布式与集中式电源系统相比所具有的优点,具体采用分布式电源系统供电。
这样每个变换器只处理较小功率,降低了应力,还可以应用冗余技术,提高了系统的稳定性,并且使用场合不受限制,根据需要组合,方便灵活。
其容量可以任意扩展。
同时可将模块的开关频率提高到兆赫级,从而提高模块的功率密度使电源系统的体积、重量下降。
可谓一举多得。
由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展开关电源并联技术的重要性也日益电流,的关键。
在本次设计中，电子测量技术、单片机原理及应用，以及模拟/数字信号处理等的多种学科技术知识的综合运用。
通过本设计，提高本专业各学科综合知识的实际运用能力，与此同时也提高自身的分析能力与实际动手能力，增强自身对设计的科学性、系统性、及全面性的理解。
通过此次设计，能较好的掌握硬件电路的设计的工作流程，进一步体会汇编语言与C语言编写程序的优缺点。
1.2设计任务
设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统如下图1-1所示。
图1-1设计任务
1.3设计要求
1.3.1基本要求
（1）调整负载电阻至额定输出功率输出状态，供电系统的直流输出电压
（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%。
（3）调整负载电阻，保持输出电压
，使两个模块输出流
之和Io=1.0A,且按I1：
I2=1：
1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对绝对值不大于5%。
（4）调整负载电阻，保持输出电压
，使两个模块输出电流之和Io=1.5A,且按I1：
I2=1：
2模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对绝对值不大于5%。
1.3.2发挥部分要求
（1）调整负载电阻，保持输出电压
，使负载电流Io在1.5-3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.5-2.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。
（2）调整负载电阻，保持输出电压
，使两个模块输出电流之和Io=4.0A且按I1：
I2=1：
1模式自动分配电流，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。
（3）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。
（4）具有负载短路保护及自动恢复工作，保护阈值电流为4.5A。
第二章本系统总体方案设计
2.1.系统方案设计与论证
2.1.1DC-DC变换器方案论证
【方案一】：
采用异步BUCK变换器，该拓朴结构简单，只需对一个开关管进行控制，因此控制思路非常简单。
但由于在大电流时，异步BUCK电路中的续流二极和开关管的功耗增加，成为电路中的主要功耗，这会使电路工作在大电流时的效率降低,故不采用此种结构。
【方案二】：
采用正激式变换器，该变换器为隔离型电路，通过变压器将输出与输入进行电气隔离，其控制方法与方案一类似。
但由于变压器绕制过程复杂且会使电路系统效率降低。
对于输出为8V的电压的电源系统，隔离问题并不是设计中的主要问题，因而变压器的优点在该系统中并未充分的体现，还会大大增加系统设计的成本，故也未采用此方案。
【方案三】：
采用同步BUCK变换器，由于采用MOS代替异步BUCK电路中的续流二极管，因此在低压大电流中的其效率非常高。
此电路虽要控制两个MOS管，但采用一片浮栅驱动就可以当作一个管子来控制，所以控制也很简单。
根据上述的比较以及结合设计的实际需要，我们选用方案三。
2.1.2均流控制方法及实现方案
【方案一】：
并联强迫均流。
利用监控模块实现均流，由监控模块获得所有并联模块的平均电流值，再通过软件计算，用并联平均电流值与模块电流值进行比较，比较后的结果用来补偿电压基准，调整模块电压，使模块电流值与系统平均值电流相同。
此方案易于实现,均流精度高，但其瞬态响应较差,调节时间长。
【方案二】：
运放反馈均流。
主电路通过电压反馈稳定输出电压，从电路通过运放检测主从两路的电压差控制输出电压，使得两路压差为零，从而达到了均流的目的。
该方案的实现与运放的参数有关，运放反馈回路的电容、电阻不好匹配。
【方案三】：
用单片机实现动态均流。
通过单片机实时采集两路DC-DC模块的电流和负载电压，然后通过内环电流外环电压，软件模拟硬件最大值均流的算法控制两路DC-DC模块PWM波形的占空比来调节电流。
该方案优点控制精度高、外围电路简单，用软件模拟硬件，成本低，整个系统的效率高。
根据上述三种方案的比较结合题目的控制要求最终选择方案三实现均流控制。
2.1.3系统整体框图
图2-1系统整体框图
该系统的工作原理是单片机产生两路PWM控制两个DC－DC模块，采用电压反馈电路实现了电压的实时采集控制单片机的定时器产生相应占空比的PWM波形稳定输出电压；该系统应用AMSCS原理和ECM控制模式实现动态均流控制实现了电流任意比的设置与显示。
2.2.理论分析与参数计算
2.2.1DC-DC变换器稳压方法
本系统采用同步整流技术实现了DC-DC变换器，在连续电流输出的模式下，其输出-输入电压变换比为：
D为输出PWM的占空比，由此式2-1可以求得输出PWM的占空比
单片机通过电压反馈回路采集输出电压的大小然后通过算法实时调节占空比使输出电压稳定在8V±0.4的范围内。
为了保证精确控制电感量的计算，计算公式如下：
-输入电压，Uo-输出电压,Io-输出电流，
-开关管导通时间。
由上式可得
经过验证电感值取575uH。
2.2.2电流电压检测分析与计算
系统使用单片机自带的12位A/D,根据A/D转换器的分辨率公式有，分辨率为
Vref-单片机供电电压，n-AD位数，可见内置A/D完全可以满足设计的需求。
2.2.2.1电压检测
该系统的电压检测比较简单，只需一个电阻分压网便可实现。
其原理图如图2-2，采样电压Vo′如下：
图2-2电阻分压网络
2.2.2.2电流检测
根据系统的均流方案的要求，需对两路DC-DC模块中的电流分别进行采集。
由于两路DC-DC模块是并联连接，所以只能采用高测的方式来检测电流。
这种方式不但克服了低测方式只能测出两路DC-DC模块总电流的缺点，还避免了系统中的数字部分的高频噪声对电流检测的影响，提高系统的稳定性。
因为数字电路在0和1间切换，导至电流是动态的，这将在地平面上形成高频噪声，从而影响模拟部分的精度。
当系统正常工作时，在输出端的电流检测点有8V的共模电压，所以采用的电流检测运放的共模输入电压范围必须大于24V。
这里可采用差分放大器OPA2234或专用电流检测器INA194，他们的共模输入电压范围都大于8V。
但要使OPA2234的共模输入电压范围大于8V，OPA2234的供电电压必须大于8V，而且当采用12V供电时，线性度在采样电压的两极限值附近变坏。
然而INA194是专用的电流临测器，在5V供电时共模输入电压范围高达80V,还可以避免在调试过程中因输出电压升高而烧坏芯片。
此外，它的瞬态响应快，特别适合闭环系统中的快速检测。
所以在此选用INA194。
2.2.3均流方法的分析
本系统的均流是通过软件模拟硬件实现最大值均流法，充分利用了ECM（外置控制器模式）易于实现动态交叉处理和AMSCS（最大值均流技术）的优点。
在硬件最大值均流法中，一般用一个二极管把各路电流与均流母线上的电流进行比较，从而选最大电流，这种方式的优点响应迅速，但缺点是分流比固定，缺乏灵活性。
本系统采用的ECM方式，克服了这样的不足，能灵活地实现任意分流比。
系统采用MSP430F247作为控制核心，内置的ADC12分别对A路、B路电流和输出负载电压U进行采集。
通过软件代替硬件方式中的二极管，选择出最大流，并通过MSP430F247内置的TimerA产生相应的PWM去控制相应BUCK中的浮栅驱动器。
PWM的占空比可通过软件任意设计，从而实现任意比分流。
2.2.4过流保护及自恢复分析
单片机实时采集输出电流的大小,然后与过流保护阈值比较，当采集的电流大于电流阈值时，单片机停止输出PWM使DC-DC模块停止工作，然后以一定时间间隔采用试触法采集输出电流，当采集的电流低于阈值电流，则单片机按上电时刻设定的占空比输出PWM使DC-DC重新工作。
第三章硬件电路设计
3.1DC-DC电路设计
为了实现高效率的DC-DC转换，本模块采用同步整流技术实现了高效率的DC-DC转换。
该模块电路采用MOS管驱动芯片IRF21094驱动同步半桥，半桥输出端通过选择合适的电容，电感构成的LC低通滤波器实现了DC-DC的转换，此种拓扑结构控制简单，原理通俗易懂，经过多方论证该电路的转换效率高满足本设计的要求，该模块电路中一路DC-DC变换器原理图如图3-1所示。
图3-1DC-DC同步BUCK变换电路原理图
3.2电流采集电路设计
在电流检测模块中，使用两个阻值为10毫欧的分流器串入两路DC-DC模块，通过电流并联监视器INA194采集分流器两端的电压。
根据同步BUCK开关电源输出电流的特点，采集得的电流即为电感电流，而电感电流为三角波电流，通过分流器和INA194放大后的电压为三角波电压，不能直接供给单片机采集。
因此在INA194放大器后用一个10uF的钽电容的RC滤波器对其进行滤波，把三角波电压滤成直流电压。
为了避免滤波器的幅频特性影响电流采集的线性度，所以在滤波器后面用一个电压跟随器进行阻抗匹配，再供给单片机进行采样。
电压跟随器选用5V单电源供电运算放大器TLC272。
该电流采集任意一路的电路原理图如图3-2所示。
图3-2电流采集电路图
3.3辅助供电模块设计
该辅助供电模块采用高效率的电源管理芯片TPS5430设计并制作了两路供电模块为系统的外围模块供电，该芯片输入电压范围宽，效率高，可达90%以上。
电路原理简单，效率高，该芯片通过电阻分压网络的调节4脚电压的大小从而调节输出电压的大小。
其典型应用电路的如图3-3所示。
图3-3TPS5430典型接线图
第四章软件设计部分
4.1IARFOR430简介
IARSystems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。
公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：
带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE）、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。
国内普及的MSP430开发软件种内不多，主要有IAR公司的EmbeddedWorkbenchforMSP430（简称为EW430）和AQ430。
目前IAR的用户居多。
IAREW430软件提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。
并且软件界面和操作方法与IAREWforARM等开发软件一致。
因此，学会了IAREW430，就可以很顺利地过渡到另一种新处理器的开发工作。
现在IAR的最新版本为V5.10版，不过本文主要是以V4.11版讲解。
各个版本之间差异不大。
掌握了V4.11，别的版本也能很快上手。
4.2软件流程图
MSP430F247采用16M晶振，执行速度快，从而满足了闭环系统快速响应的需求。
当采得的A路电流大于B路电流时，用MSP430F247产生的一路PWM去控制A路同步BUCK电路，根据反馈的负载电压恒定输出电压Uo，然后用MSP430F247产生的另一路PWM去控制B路同步BUCK电路，使A、B两路的电流达到对应的比例关系。
反之，当B路电流大于A路电流时，与上面的控制方式一样。
这样通过动态寻找两路输出电流的最大电流的一路电路，来实现恒定输出电压；动态寻找它们输出电流最小电流的一路来实现按相应比例的分流。
由于在前面的动态跟踪过程中，两路的占空比会同时出现过大或过小，使输出电压偏离8V过大，所以在此还加入了大流占空比的控制。
把输出总电流分成三个档位：
高电流（大于1.3A）、中电流（0.7至1.3A）、低电流（小于0.7A）。
分别对这三个档位的最大占空比和最小占空比的限制，从而使输出稳定在8V。
具体程序流程图如下图4-1所示：
图4-1软件流程图
第五章系统测试
5.1主要元器件
表5-1主要元器件
元件名称
型号
数量
单片机
MSP430F247
1
浮栅驱动
IR21094
2
运放
TLC272
2
N沟道MOS管
IRF3205
4
电流并联监视器
INA194
2
5.2测试方法
图5-1测试框图
5.3测试仪器清单
这次我们整个测试用到的仪器有：
表5-2测试仪器清单
序号
仪器名称
型号
指标
1
双踪示波器
RIGLODS1102D
100Mhz带宽1Gs/s采样率
2
滑动变阻器
200R/5A
200R/5A
3
数字万用表
RIGOLDM3068
6位半
4
数字万用表
MY63
3位半
5
直流稳压电源
UNI-TUTG9065C
0-32.5V/3A
5.4负载调整额定功率测试
测试条件：
Uin=24V，负载由1KΩ减少到2Ω
表5-3：
负载调整率
负载R（Ω）
1000
500
100
50
20
10
5
2
电压U（V）
8.13
8.13
8.11
8.14
8.13
8.12
8.13
8.14
从表5-3中可以看出，看出我们实测△Uo最大为0.14V，题目要求输出Uo为8V，相对误差△Io不超过±0.4V，所以完全达到题目要求。
5.5系统效率测试
测试条件：
Uin=24V、输出电压Uo=8.13V左右、输出电流Io=4A。
表5-4系统效率测试
输入电压为
输入电流
输出电压
输出电流
输入功率
输出功率
效率
24V
1595mA
8.13V
4010mA
38.28W
32.6W
85.2%
24V
1625mA
8.14V
4280mA
39.00W
34.84W
89.3%
24.1V
1560mA
8.12V
3990mA
37.59W
32.4W
86.2%
24V
1580mA
8.14V
3980mA
37.92W
32.39W
85.4%
23.9V
1570mA
8.12V
4050mA
37.82W
32.88W
86.9%
从表5-4可以看出系统效率在85.2%以上，根据题目的要求60%以上，我们大大提高整个系统的效率.且较好的完成的发挥部分的要求。
5.64A均流测试
表5-5均流偏差测试
实测输出电压
A路电流
B路电流
电流之比（I1:
I2）
总电流
8.14V
2.007A
2.013A
1:
1
4.020A
8.13V
2.015A
2.025A
1:
1
4.040A
8.14V
2.020A
2.025A
1:
1
4.045A
8.12V
2.010A
2.020A
1:
1
4.030A
8.14V
2.010A
1.996A
1:
1
4.006A
从表5-5中可以看出,在调整负载电阻状态下，电流在4A处满足题目要求按照1:
1分配，题目要求相对误差在2%（40mA）范围内，我们测试结果最大相对误差为7mA完全达到题目要求。
5.7任意比分流点测试
表5-6任意比分流测试
分流比设定
实测输出电压（V）
A路电流实际值（A）
A路电流理论值（A）
A路相对绝对误差
B路实际电流（A）
B路电流理论值（A）
B路相对绝对误差
总电流（A）
1:
3
8.13
0.410
0.4125
0.006
1.235
1.2375
0.002
1.65
3:
5
8.13
0.681
0.69
0.013
1.150
1.15
0.000
1.84
4:
1
8.14
1.998
2.000
0.002
0.502
0.500
0.002
2.50
2:
3
8.11
1.100
1.148
0.041
1.76
1.722
0.022
2.87
5:
4
8.12
1.920
1.911
0.004
1.518
1.529
0.007
3.44
从表5-6中可以看出，任意分流比时，各路相对误差绝对值在0到2.2%之间。
而题目的要求是在5%的范围内，我们较好的完成了题目的要求。
5.8过流保护及自动自恢复功能
表5-7过流保护及自动恢复
是否能实现负载短路保护及自恢复功能
实测保护阀值电流
能
4.5A
能
4.35A
能
4.4A
能
4.55A
能
4.38A
从表5-7可以看出，我们实现了4.5A左右的过流保护和自动恢复功能，完成了题目的要求。
5.9其它功能测试
表5-8其他功能测试
功能一
具有过流声光报警
功能二
LCD显示和按键选择是否进入低功耗模式
功能三
超低纹波系数（4A的工作状态纹波为4mV左右）
从表5-8可以看出，我们在较好的完成了题目的基本部分和发挥部分之外，还另外增加了以上三种实用的其他功能。
5.10误差分析
我们测量的误差主要来源是电磁干扰，由于测试场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，采样电路的限流器与电路板的接触不好，电阻的精度不高等，并且测量仪表类型很多且精度不够高，人为读数存在误差，测量的数据达不到理论计算值，但是我们通过多次测量去平均把误差降低到最小。
第六章总体结论
通过此次的毕业设计，提高了对本专业各个学科综合知识的实际运用能力，提高了实际动手能力，提高了自身的科学性、系统性、及全面性的综合
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