全国大学生电子设计大赛报告

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输出范围内，干路电流输出范围使1-4A其分压比由外界输入。由AD采用，读出干路电流，经数字电位器调整恒流源工作状态，使其自调整实现固定分压比，并且电流精度满足在百分之五以内。关机或过流保护收后，具有可以记忆参数、自恢复功能。

Abstract

Switching power supply modules in parallel power supply system is the use of 8-bit Atmega88 switching power supply, the main circuit LM2576 and LM2596 as two parallel switching power supply. 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 方案论证与比较 ...................................................................................................... 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： ........................................................................................... 17

附2：仪器设备清单 ............................................................................................... 17

附3：电路图图纸 ................................................................................................... 17

1 方案论证与比较

1.1系统方案选择

题目分析：

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。

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

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。当电流超过4.5A时，on/off端拉高，芯片停止工作，等待，单片机电流检测点降至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。

2 系统设计

2.1 总体设计

系统框图如下：

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10kΩ，50k和100kΩ，单位电阻为量程除以256。题目实际采用的是10KΩ。

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

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MCP42XXX系列数字电位器。在MCP41010中写命令字节通常为0x11，数据字段为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)；

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：

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

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；

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0.04Ω，R1=6000Ω总结得：

I=0.3075*(1+6000/Rs)。

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。

3 软件设计

软件流程图如下：

主流程图

Case 子程序流程图

过流保护流程图

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）

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）

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

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