基于TIMSP430F2619的开关电源并联供电系统

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     本系统以斩波式BUCK  电路为核心,以单片机MSP430F2619 为主控制器,
以PWM 信号控制芯片TL494 为PWM 信号发生器。该系统主要由TL494、驱动
电路、BUCK 降压主回路、采样电路、单片机系统组成。直流稳压电源提供的电
压经DC-DC 变换得到题目所需输出电压,采样元件可以实现对输出电压和输出
电流的测量和检测。TL494 根据采样的反馈信号对PWM 信号做出调整,进行可
靠的闭环控制,通过调节占空因数使得输出电压稳定在 8V。电流比可通过键盘
设定和步进调整,单片机可显示预置电流比,实测电压,实测电流。具有输出过
流保护和输入欠压保护功能。在满足原题的要求外系统还实现输出电压在 4.0V
到8.5V 范围内可调。具有调整速度快,精度高,效率高等优点。

关键词:MSP430F2619 ;均流;斩波电路 ;隔离电流采样;过流保护
引言

    开关电源广泛应用于计算机、通讯、雷达、电视、办公设备及空间技术中相对于其它电
源,开关电源具有体积小、重量轻、效率高、输出调整范围宽等优点,且便于用计算机控制,

                                                          [1]
和计算机一起构成程控电源,可以用在需要不断变化输出电压的场合 。
    本文阐述了一种两路并联开关稳压电源的设计方法,可以在一定电压范围内设定两路电
流为任意比方案简易可行,成本低,实践证明十分输出稳定。

1 方案论证与比较

    本系统主要由控制模块、驱动电路模块、降压电路模块、采样电路模块构成,下面对系
统的构成进行论证。

1.1 电源变换拓扑方案论证与选择[2]

    DC-DC  变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全,但是由于隔离变压
器的漏磁和损耗等会造成效率的降低,所以本题选择非隔离方式,具体有以下两种方案:
    方案一:三端可调稳压块LM317 为可调稳压电路的核心。从LM317 的输出电压中分压
取出基准电压,经射极随后返回LM317 的电压基准端,从而改变LM317 的输出电压。该电
路属于线性电路,达不到题目要求的60%的效率。
    方案二:斩波式电路。其基本特征为:输出电压低于输入电压,输出电流为连续的,输
入电流是脉动的。其电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波很小,输出
电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成,宏观上可以看做是恒定直流。
    综合考虑电路效率和稳定性,我们采用方案二。

1.2 控制方案论证与选择[3]

    方案一:采用单片机产生PWM  波,控制开关的导通与截止。根据A/D  后的反馈电压
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,输出电压稳定性不好,若想实现自动恢复,实现起来比较复杂。
    方案二:采用恒频脉宽调制控制器TL494,配以MOS 管驱动芯片UCC27324 ,以及低
导通电阻的NMOS  管 IRF3205 。电流检测芯片对电流进行采样输入单片机,单片机将采样
得到两路电流比与内部设定值比较,产生反馈信号,TL494  根据此反馈信号驱动 MOS  管,
UCC27324 具有高驱动能力,开关管能工作在完全导通或完全截止的理想状态,该方案调整
速度快,稳定性好。
    鉴于上面分析,选用方案二。

1.3 均流技术论证与选择
    方案一:硬件控制。开关稳压电源构成闭环控制系统,输入电压、内部元器件参数、外
接负载等因素发生变化时,检测被两并联支路的电流并计算差值,利用差值调节主电路功率
开关器件的导通脉冲宽度,从而使得开关电源的输出电压保持稳定。这种控制方法可实现两
路电流按固定比例分配,但是无法做到控制电流比为任意值。
    方案二:软件控制。每一支路加一个电流检测元件来检测它的电流并提供给单片机,单
片机将采集的电流比与内部设定的比例比较,继而产生的反馈信号进行调节,从而达到各单

                                                                            3
元间输出均流的目的。这种控制方法均流效果较好,可以控制两路电流为任意比例,但是由
于单片机对信号读取、转换、判断需要一定的时间,所以会降低系统的动态响应速度。
    综合考虑采用题目对电流比例和响应时间的要求,我们选择方案二。

2 系统理论分析与计算

2.1  系统设计方案
2.1.1 DC/DC 变压器稳压方案
    本系统在负载电阻两端并联一电压采样电阻,通过其对负载两端的电压进行采样并反馈
给单片机,单片机将采集的输出电压与标准值8V 进行比较,进而产生控制信号影响TL494
对降压电路进行控制。

2.1.2 过流保护与自动恢复及实现方案
    采用开关稳压电源。使用开关稳压器后,输出电压和输出电流范围能大大提高,而且此
种电源效率较高。但一般也同时具有纹波电压较大的弱点。其保护的原理是在控制回路中串
入取样电阻,以该取样电阻上的压降而反映出该回路电流的大小,一旦电流大于额定值时,
就会使相应的“电子开关”电路动作,对电流过大的电路进行分流或是切断该回路中的电流,
以达到保护的目的。此方案响应时间、有效保护、自动纠错都较理想。通过继电器或MOSFET
管的开关性能和多级比较器实现故障解除后的自动恢复功能。

2.1.3 电压电流检测方法
    电压检测:在负载电阻两端并联一组总和为5kΩ 的电阻,取其中一50Ω 的电阻将其两
端电压值通过电流检测芯片INA282 放大 50 倍,该值输入单片机,单片机按此比例判断输
出电压的大小并显示,同时控制TL494 做出反应。
    电流检测:在滤波电路和负载之间串联电流检测芯片INA282 ,该芯片在共模电压-14V
到+80 V 的范围内的可以感知整个分流,且独立于电源电压。本系统通过分别检测并联的两
电路流过负载的电流并将结果传入单片机。

2.1.4  输出滤波器
    考虑到本题目对效率的要求,我们选用低阶滤波,以降低滤波器的消耗。通过对电感和
电容的计算与测试,我们发现一阶LC 滤波器即可满足题目对纹波的要求。输出纹波电压一
般是输出电感上纹波电流流过输出电容的等效电阻形成的,为了降低纹波,我们需要尽量降
低输出电感的匝间电容和输出电容的等效电阻。而低 ESR  的电解电容都较为昂贵,故我们
在电感上进行改进。考虑到电感中的漏磁会对电路产生干扰,结合对电感最佳值的计算,我
们选择了2200μH 带磁屏蔽的电感。

2.1.5 辅助电源
    由LM317 和开关电源构成两级降压电路,将直流稳压电源提供的24V  电压降到5V 给
单片机等供电。

2.1.6 系统效率的提高方法及实现方案
    在DC-DC 变换器中,主要消耗功率的元件有主回路的开关管、续流二极管、储能电感
等部件。本设计中提高效率的措施主要有:
    (1)通过增加电感线径减小电感阻值;
    (2)采用低内阻的高效率MOSFET 作为主回路的开关元件;
    (3)采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗。

                                                                          

 

3  电路与程序设计

3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图

3.2 程序的设计[4]

3.2.1 程序功能描述
(1) 键盘实现功能:设置电流比,控制电流步进;设置输出电压,控制电压步进。
(2) 显示部分:显示电压值、电流值;设定的电压比值、电流比值。

3.2.2 程序流程图
 

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