（南京师范大学南瑞电气与自动化学院 江苏南京 210042）
摘要：本设计设计制作的是开关电源模块并联供电系统。该系统能够广泛应用在小功率及各种电子设备领域，能够输出8V定压，功率可达到16W，并根据要求对两路电流进行按比例分配。本系统由两个DC/DC模块，均流、分流模块，保护电路组成。DC/DC模块以IRF640芯片为开关，配以BUCK的外围电路实现24V-8V的降压与稳压。采用单片机反馈实现电流和电压的检测以及过流保护，控制由DC/DC模块构成的并联供电系统均流与分流工作模式。同时进行LCD12864液晶同步显示、独立键盘输入控制。输入的值经过单片机处理程序来控制输出电压，且输出电压和电流可实时显示。
关键词：DC/DC模块；BUCK；可控电流分流；MSP430F5438A
Abstract ：This design is the switch power supply module in parallel power supply system.The system can be widely used in the field of small power and various kinds of electronic equipment， it can output 8v constant pressure and achieve 16w.According to the requirements，it can distribute two way current proportionally. This system is composed of two DC/DC module， flow， shunt module and protection of circuit.DC/DC module IRF640 chip as the switch， matched with the periphery of the BUCK circuit of 24v - 8v step-down and regulated.Feedback by single chip microcomputer for detecting current and voltage and over current protection， control composed of DC/DC module power supply system in parallel flow with streaming mode.At the same time， LCD12864 synchronous display， keyboard input control independently.Input values through single chip processor to control the output voltage， and output voltage and current can real-time display.
Keywords： DC/DC module；BUCK；controlled current shunt；MSP430F5438A
一、引言
近些年来，随着微电子技术和工艺、磁性材料科学以及烧结加工工艺与其它边沿技术科学的不断改进和快速发展，开关稳压技术有了突破性进展，由此也产生了许多能提高人们生活水平和改善人们工作和学习条件的新工艺产品设备。开关稳压电源以其独有的体积小、效牢高、重量轻、输出形式多样化、功率因数大、稳压范围宽等优点，广泛涉及与电有关的众多领域。
在这些领域之中，开关稳压电源已取代前级线性稳压电源和前级相控开关电源。开关稳压电源技术和实用技术产品出现后，许多电子产品所采用的电池供电成为可能，也使许多电子产品微型化和小型化后变为便携式产品成为可能。所以开关稳压电源成为各种电子设备和系统高效率、安全可靠运行、低功耗的关键，成为电子技术中备受人们关注的科技领域。
二、预定目标及分析
（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压UO=8.0±0.4V。在额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60% 。
（2）调整负载电阻，保持好输出电压，使两个模块输出电流之和一定，并且按不同模式自动分配电流，控制好电流的误差。
（3）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为 4.5A（调试时允许有±0.2A的偏差）。
（4）在额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。
三、设计方案的初步论证与比较
3.1降压DC-DC模块方案
方案一：自动均流法。动均流法也叫单线法，其工作原理是，将各电源模块都通过一个电流传感器及一个采样电阻接到一条均流母线上。如图4所示，当输出达到均流时，输出电流为零。反之，则电阻R上由于有电流流过，在其两端产生一个电压，这个电压经过放大器A输出电压，它与基准电压比较后的，反馈回电源模块的控制部分，从而调节输输出电流。自动均流法的优点是，电路简单，容易实现。缺点是，如果有一个模块与均流总线短路，则系统就无法均流，而且单个模块限流也可能引起系统不稳定。
方案二：主从电源法。主从电源法是将并联的多个电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。具体工作过程是：主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块（包括主模块和从模块）的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。其基本工作原理电路如图6所示，设模块一为主模块，其输出电流的采样电压为，其他模块输出电流的采样电压为。当某一模块输出电流偏大时，相应的增大，与比较，得到的减小，反馈给该模块的控制电路中，减小其输出电流，从而实现均流。
方案三：采用BUCK电路。经过驱动后，场效应管不断导通截止，24VDC通过Buck降压电路进行DC-DC转换，由单片机产生PWM控制其占空比，从而得到要求的直流电压。此方案仅用一块控制芯片不但可以实现对Buck电路的控制，而且可以结合A/D和D/A对输出电压进行调整与显示。由于单片机自带能够产生脉宽调制所需的PWM信号的端口，在实际制作中用起来比较方便。
综合考虑之后选择方案三。
3.2降压电路驱动模块方案
方案一：采用三极管组合电路。由于输入的PWM波幅值太小，无法使场效应管导通和截止，所以需要对PWM波的幅值进行放大。因为三极管的放大倍数比较高，可以有效地放大幅值，但是三极管组合电路是用的分立元器件，各种性状不稳定，所以不使用此方案。
方案二：单片机输出PWM，采用IR2111驱动DC-DC电路中的IRF640。控制输出电压。IR2111是专门驱动场效应管的器件。由于场效应管不是接地的，所以将Ho连到栅极，VS连到源极，在芯片里巧妙地构成回路。这样可以驱动场效应开关管按照一定频率导通和截止。
综合考虑选择方案二
3.3电压、电流采样模块方案
方案一：使用TL072构造差分放大电路和电压跟随器。用TL072将采样电阻两端的微小电压差放大，再接到单片机进行A/D转换，转换为电流显示在屏幕上。电压跟随器同理，将分压后的电压值稳定后接到单片机进行转换，这样可以显示出各个部分的电压和电流，从而求出效率。
方案二：使用INA117KU高共模输入差动放大器制作高输入电压的差分放大电路。在采样输入电流时，输入端电压均接近24v，远远超过了TL072的输入最大值，输出直接是。所以用最大输入电压为200v的INA117做差分放大电路，效果较好，输出稳定。
综合考虑选择方案二
3.4显示器模块方案
方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。
方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。不过需要焊接一块信号转换电路板，连接单片机实现对采样信号的输出。
综上所述，选择方案二。采用LCD128*64字符型点阵液晶显示模块同时显示输出电流的给定值和实测值。
综上选择方案二
3.5控制器模块方案
毋庸置疑地使用MSP430F5438A单片机，可以方便地对数字以及模拟信号进行控制、并加以计算，利用它的100个管脚实现屏幕显示、AD转换以及DA转换。该型号单片机管脚多，能同时实现多种功能，是一款实用性高的单片机。
3.6单片机供电模块方案
MSP430F5438A单片机采用3.3V直流电来供电。单片机具备5V转3.3V的电路。所以需要制作一个稳压电路，将输出电压稳定控制在5V。用稳压管LM317以及外围的一些元器件即可实现稳定电压的输出。
四、总体方案框图
系统设计框图
如上图通过MSP430单片机控制产生PWM波，通过改变其占空比对场效应管按一定频率导通和截止从而调节降压幅度。降压模块使用BUCK电路，通过电感、电容等储能元器件将一直流高压降为直流低压。驱动电路将单片机和DC-DC变换器隔离。单片机将电压电流通过采样电路，运放采样回来在内部进行A/D处理，然后将数据输出液晶显示，并计算系统的效率。在内部进行算法调整，调整电流比例，使整个系统稳定，并达到基本要求。相应的数据由单片机处理并显示在显示屏上。整个系统设计如上图所示。
五、理论分析及电路图
5.1DC-DC降压主回路
两个DC-DC降压电路并联，驱动产生的方波将场效应管不断导通和截止。电感和电容等储能元件在导通时充电，在截至时放电，使负载两端的电压基本维持不变。电感和电容值越大，充放电的时间也越长，这样电路的纹波小，但是电路的反应长。综合考虑电感最小值为330uH，电容的值为1000uf，耐压值是50v，在占空比为60%左右负载两端输出为8v
5.2驱动电路
此电路先用三极管进行一级放大，再连入IR2111专用的驱动器将PWM波的幅值放大，足以驱动后续BUCK电路。
5.3电流采样差分放大电路
INA117可用作大电压的输入差分，第二级是同相放大电路，为了易于给单片机进行A/D转换识别。
5.4单片机供电电路
查阅资料可知LM317的1号、2号管脚的电压差是1.25V，所以要使C2两端的直流电压为5V，R1必须为R2的三倍，所以在此选择R1=360欧姆、R2=120欧姆；C1、C2、C4为10uf的电解电容；D1、D2是续流二极管，为了保护电路，让稳压管工作在安全的环境下。
六、测试数据
6.1测试用的仪器及软件
双踪示波器、函数信号发生器、万用表、直流稳压源；Multisim 、protues
6.2测试方法
（1）调节负载，使输出电压在8v左右，计算其效率。
（2）调节输出信号的占空比，使输出电流恒定在某一值，并按照任意比例调节两并联网络的电流比。
6.3测量数据
DC1占空比DC2占空比
七、总结
7.1系统测试性能指标
本系统基本实现了题目的基本要求，硬件单元电路都达成了所需要求，可以用单片机调节占空比，不断改变降压值，可以自动分配两个并联网络的电流值。在较高的效率下完成降压转换。
7.2成效得失对比分析
单片机作用强大，可以替代外部的很多硬件电路，充分利用好单片机的价值很高。
参考文献
[1]康华光主编.电子信息类.电子技术基础（模拟部分）[M].第六版.高等教育出版社2015
[2]康华光主编.电子信息类.电子技术基础（数字部分）[M].第六版.高等教育出版社2015
[3]任保宏、徐科军编著.MSP430单片机原理与应用[M].电子工业出版社
个人简介
吉梓佚（1996—），男，江苏海安人，现就读于南京师范大学，研究方向：电气技术
论文作者:吉梓佚
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/30
标签：电压论文; 电路论文; 单片机论文; 模块论文; 电流论文; 方案论文; 供电系统论文; 《电力设备》2017年第24期论文;