趙英俊 徐朝玉 呂惠寧

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院 430074

開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

趙英俊 徐朝玉 呂惠寧

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院 430074

本系統(tǒng)主要由DC-DC變換器、保護(hù)電路、控制系統(tǒng)、顯示等電路模塊組成。采用了MP2307降壓變換器實(shí)現(xiàn)DC-DC變換。控制系統(tǒng)選用單片機(jī)MSP430F169，結(jié)合DC-DC自身反饋，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可調(diào)的輸出電壓。MSP430169控制實(shí)現(xiàn)顯示、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、過流保護(hù)、處理電壓反饋信號(hào)、對(duì)MSP430169進(jìn)行控制、顯示和人機(jī)交換等功能，使用直觀方便。在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了制作成本和功耗，多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目的要求。

MP2307；DC-DC 變換器；MSP430169

由于各種負(fù)載對(duì)于供電系統(tǒng)的要求不同，在電源實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)單個(gè)電源往往不能提供負(fù)載的全部容量，為了提高電源容量和供電系統(tǒng)的可靠性則需要考慮多個(gè)電源模塊并聯(lián)使用。此時(shí)就必須考慮各供電系統(tǒng)的電流分配問題，防止單個(gè)電源提供過大功率而損壞電源設(shè)備，而本系統(tǒng)正是綜合考慮各電源的電流分配問題以及包含了供電系統(tǒng)的過流保護(hù)問題。

1 系統(tǒng)方案論證與選擇

1.1 控制模塊

方案一：采用AT89S52單片機(jī)控制。由于51單片機(jī)資源有限，控制輸入輸出，需要外接8279之類的芯片進(jìn)行I/O擴(kuò)展，需要外接A/D、D/A等，實(shí)現(xiàn)本題功能較為復(fù)雜。

方案二：采用MSP430F169單片機(jī)進(jìn)行控制。MSP430F169單片機(jī)內(nèi)部集成8路12位ADC和2通道12位D/A，可以直接用于電流測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)字控制輸出，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠很好的滿足本題地要求。因此采用方案二。

1.2 電流取樣電阻

方案一：采用較大功率電阻，如水泥電阻等。采用大功率電阻，如1歐/10W的電阻，通過2A的電流時(shí)不會(huì)被燒斷。但是一般的大功率電阻在溫度很高會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的溫漂。

方案二：采用鋁殼電阻。金屬鋁殼封裝，散熱性能好，適合散熱板安裝，可長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下工作，體積小，功率負(fù)荷大，絕緣性高，多種接線方式，便于安裝。因此采用方案二。

1.3 DC-DC主回路拓?fù)?/h3>

方案一：采用TL494驅(qū)動(dòng)MOS管，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制，此電路簡(jiǎn)單易操作，但開關(guān)頻率低輸出紋波較大，實(shí)現(xiàn)功能簡(jiǎn)單但達(dá)不到要求。

方案二：采用高性能固定頻率電流方式低功耗控制芯MP2307，這種電路使用的外部原件少、調(diào)試容易、成本低、效率高。因此采用方案二。

2 理論分析與參數(shù)計(jì)算

2.1 DC/DC變換器穩(wěn)壓方法

本設(shè)計(jì)采用兩路完全相同的DC-DC輸出，經(jīng)分壓反饋至DC-DC芯片的反饋引腳FB。設(shè)其電壓為，由于DC-DC反饋腳FB輸出恒定0.925V，因此只需通過改變分壓電阻從而得到穩(wěn)定的不同輸出電壓。計(jì)算公式如下。

2.2 過流保護(hù)分析

過流保護(hù)通過軟件控制DC-DC使能端即可完成，經(jīng)過A/D采樣0.1Ω電阻兩端的電壓后計(jì)算出該路的輸出電流，當(dāng)檢測(cè)計(jì)算出兩路電流之和大于等于4.5A時(shí),則控制DC-DC的使能端，DC-DC輸出截止，并延時(shí)200ms，再使能DC-DC同時(shí)檢測(cè)采樣電流大小，循環(huán)上述步驟實(shí)現(xiàn)電路過流保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)功能，從而起到了保護(hù)電路的作用。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由以下幾大部分組成：兩路的DC-DC變換電路、電路保護(hù)、電流檢測(cè)、控制電路、顯示電路、負(fù)載電路。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

3.2 各單元模塊

3.2.1 DC-DC模塊

采用DC-DC降壓芯片MP2307。該設(shè)備集成100mΩ 100m100mΩMOSFET，能夠提供3A的連續(xù)負(fù)載寬工作狀態(tài)，輸出可從0.925V至20V調(diào)動(dòng)，轉(zhuǎn)化效率能達(dá)90%。

3.2.2 差分放大模塊

在采集0.1Ω電阻兩端的差模信號(hào)時(shí)，為了抑制共模信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用了儀表放大器INA128。在提高系統(tǒng)效率方面，采用單電源24V供電，但此運(yùn)放不是軌至軌運(yùn)放，負(fù)參考源端會(huì)出現(xiàn)0.4V的電壓死區(qū)，因?yàn)榛鶞?zhǔn)源LM385-1.25提供的基準(zhǔn)1.25V＞0.4V,所以運(yùn)放以基準(zhǔn)源LM385-1.25作為電壓基準(zhǔn)，很好地消除了電壓死區(qū)引入的誤差。

3.2.3 主控制器模塊

主控制器采用了TI的一款超強(qiáng)處理能力的MSP430F169，自帶有8位A/D,2路D/A，超低功耗，具有豐富的片內(nèi)資源。本系統(tǒng)需要兩路A/D采集信號(hào)以及一路D/A輸出控制，并結(jié)合按鍵，以及液晶顯示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的主程序流程圖如圖2所示。主程序不斷檢測(cè)是否有鍵按下，如果有按鍵，則進(jìn)行相應(yīng)的鍵值處理，根據(jù)按鍵改變?cè)O(shè)定的電流值比例，實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸入。再根據(jù)設(shè)定值，對(duì)應(yīng)改變顯示內(nèi)容和D/A輸出的控制電壓。當(dāng)檢測(cè)電流值過大時(shí)進(jìn)行過流保護(hù)控制。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 測(cè)試儀器

①UNI-T UT61E四位半數(shù)字萬用表泰克TD1002數(shù)字示波器

②YB1732A3A直流穩(wěn)壓電源

5.2 測(cè)試方法

整機(jī)連接后，通過改變不同的負(fù)載，用萬用表測(cè)量?jī)陕稤C-DC的輸出電流，并測(cè)量輸出電壓及輸出電流。輸入電壓輸入電流已知即可計(jì)算出總的供電系統(tǒng)的效率。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)效率均在70%左右，超過題目要求的60%。系統(tǒng)能夠達(dá)到了題目基本所有的部分基本指標(biāo)及大部分發(fā)揮部分要求，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了制作成本和功耗，本設(shè)計(jì)多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目的要求。

[1]謝自美，電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第二版）.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000年；

[2]邱光源，電路（第五版）.西安：高等教育出版社，2006年；

[3]康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）.武漢：高等教育出版社，2005年；

趙英俊，男，安徽省安慶市懷寧人，從事自動(dòng)化研究。)