开关电源并联供电系统毕业设计.docx

1、毕业设计说明书开关电源并联供电系统开关电源并联供电系统摘要：伴随着电力电子技术近年来迅猛的发展，各个产业对于电子装置的需求量都在日益增加。同时因为各种电子装置都在不断地更新换代，往多元化以及集成化的方向发展，其对电源功率、电流的要求也在不断提高。但是由于受到构成电源的各个模块中所包含的器件、材料等的影响，单个开关电源模块在功率、电流、电压等各个方面都往往无法满足电子装置的要求，更何况因为近年来新能源的发展，光伏产业发展也十分迅速，单个电源完全无法满足使用的需求。因此，开关电源并联供电系统就随之而产生了。本系统由恒流源模块、恒压源模块、单片机系统控制模块、辅助电源模块与显示模块五部分组成。在电源

2、模块上本系统使用的是 LM2596 模块，并且依靠它来实现降压，同时采用了 STC12C5A60S2 单片机作为控制核心，配合使用 IN282 作为放大器进行 50倍放大来采集信号。在比较器上，选择的是 LM358,并且使用主从均流法来对采集的两路信号，通过软件算法来实现分配误差，以此来对电源模块的电流进行自动调整。在本系统中，使用的是 LCD1602 显示屏来呈现采集的数据。最后，在系统中设置了过流保护电路，一旦负载的电流超过了设定的值，将会自动启动中断，并在一段时间后恢复。经过测试，本设计已经完成了设计任务的要求，实现了两模块电流的分配。关键词：开关电源，并联供电，单片机Switching

3、 Power Supply Parallel Power Supply SystemAbstract：Along with the rapid development of power electronics technology in recent years, the demand for electronic devices in various industries is increasing. At the same time, because all kinds of electronic devices are constantly upgrading, to a diversi

4、fied and integrated direction, the power of the power supply, the current requirements are also constantly improving. But due to the power of each module contains devices and materials influence, a single switching power supply module in all aspects of power, current, voltage, etc. are often unable

5、to satisfy requirements of the electronic device, not to mention because in recent years the development of new energy, photovoltaic industry development is very rapid, single power supply completely unable to meet demand. Therefore, the parallel power supply system of switching power supply is prod

6、uced.The system is composed of five parts, which are constant current source module, constant pressure source module, single chip microcomputer system control module, auxiliary power module and display module. The system used in the power supply module is lm2596 module, and rely on it to realize buc

7、k, also uses STC12C5A60S2 microcontroller as the control core, with the use of IN282 as an amplifier for 50 times amplification signal acquisition. In the comparator, the choice is LM358, and the use of the slave flow method to collect the two signals, through the software algorithm to achieve distr

8、ibution errors, in order to automatically adjust the current power module. In this system, the use of LCD1602 display to show the data collected. Finally, an over current protection circuit is set up in the system. Once the current of the load exceeds the set value, it will automatically start the i

9、nterrupt and resume after a period of time. After testing, the design has completed the requirements of the design task, the realization of the distribution of the two module current.Keywords: switching power supply, parallel power supply, single chip microcomputer中北大学 2016 届毕业设计说明书第 I 页 共 II 页目 录1

10、绪论 .11.1 选题的目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 国内外现状简介 .21.2.2 改进的常用均流控制法 .31.2.3 新型的均流控制法 .31.3 分布式电源系统的发展 .51.4 设计任务 .62 整体方案设计 .72.1 设计思路 .72.2 方案选择 .82.2.1 恒压源与恒流源模块的设计方案选择 .82.2.2 分流方案选择 .82.2.3 过流保护方案选择 .92.2.4 辅助电源电路方案的选择 .103 硬件电路设计 .113.1 恒压源与恒流源模块的设计 .113.1.1 恒流源模块 .113.1.2 恒压源模块 .133.2 单片机系统控制模块

11、的设计 .143.3 显示模块的设计 .143.4 辅助电源模块的设计 .154 系统软件设计 .174.1 Keil C51 集成开发环境的介绍 .174.1.1 Keil C51 集成开发平台的介绍 .174.1.2 并口下载软件的使用 .174.2 程序流程图 .18中北大学 2016 届毕业设计说明书第 II 页 共 II 页5 系统测试 .205.1 测试仪器 .205.2 测试结果 .20附录 A 开关电源并联供电系统原理图 .21附录 B 开关电源并联供电系统相关程序 .24参考文献 .34致谢 .35中北大学 2016 届毕业设计说明书第 1 页 共 35 页1 绪论1.1 选

12、题的目的及意义随着电力电子技术的迅速发展，电源技术被广泛应用于工业仪器仪表、计算机、航天、军事等各个领域，同时也渗透进了国民经济的各行各业，影响到了我们生活中的各个角落 1。同时，各种电子装置对于电源的功率的要求日益提高，对电流的要求也逐渐增大，因此，开关电源不断地向着更大的功率方向发展。如何研制出各式各样的大功率、高性能的开关电源成为了当今的发展趋势。但是受到了构成电源模块的磁性材料以及半导体器件等各种各样的自身性能的影响，单个开关电源模块的最大输出功率往往只有不过几千瓦，根本无法满足实际应用中所需的几百千瓦以上的开关电源功率要求 2。所以，大功率的电源系统要求使用若干台并联运行的开关电源，

13、以满足其所需的负载功率的需求。同时，考虑到分布式电源系统在实际应用中相比于集中式电源系统所具有的诸多优点，我们选择并采取了分布式电源系统供电。因为采取分布式的电源系统供电方法，每个变换器仅仅需要处理较小的功率，就能够达到降低应力的效果。与此同时，我们还可以使用冗余技术，以此来提高系统整体结构的稳定性，并且这项技术使用的场合不会受到限制，可以根据需要来组合，既方便又灵活，其容量可以自由地扩展。与此同时，我们可以将模块的开关频率提高到兆赫级，以此来提高模块的功率密度，并且使电源系统的重量与体积降低。在当今大功率电源负载需求日益增加的大背景下，由于分布式电源系统的不断发展，开关电源并联技术也在电源技

14、术中占据了越来越重要的地位。并且，在当今这个迅速发展的社会中，我们更加提倡新能源的发展，因为新能源具有洁净无污染、数量巨大并且取之不竭等各方面的优势 3。风力发电、太阳能发电等就是新能源利用的典型例子。光伏产业在这样的大背景下发展十分迅速，以太阳能为例子，由于当今技术上的限制，我们使用太阳能时候的转化效率依然十分低下，因此，每个电池板得到的能量都十分微小。理所当然的，单个太阳能电池板电源并不能满足人们日常生活中的各种用电需求。因此，开关电源并联供电系统的技术不但可以使其能够提供我们所需的电流，并且还能形成一种 N+m 的冗余结构，在满足我们用电需求的同时，帮助提高了整个开关电源并联供电系统的稳

15、定性，可谓是一举两得。但是，在电源模块并联运行的同时，因为各个电源模块参数具有一定的分散性，第 2 页 共 35 页它们输出的电流也无法做到完全一致，这会导致一些模块的负荷过轻，而另外一些模块的负荷变得过重。这些问题会导致系统稳定性的降低，在我们日常的生产生活中出现一些无法预料的严重后果。即使不出现重大的问题，电源模块其本身的寿命也会因此而大大地减短 4。在国外，有资料表明，在工作的环境温度超过 50 摄氏度的情况下，电子元器件的寿命是其在常温（25 摄氏度）时的六分之一左右。因此我们能够了解到，如何能够做到平均地分配各个并联在一起的电源模块的输出电流，是目前想要提高电源并联供电系统的稳定性的

16、一个亟待解决的难题。此次开关电源并联供电系统的设计涉及到了单片机原理及应用、电子测量技术以及模拟/数字信号处理等多门学科以及技术知识的综合应用。通过此次开关电源并联供电系统的设计，我相信我能够提高自己对各门专业学科知识的掌握以及运用的能力，使之前学到的知识并不仅限于理论知识，更涉及到了实践与创新。与此同时，通过实物的制作，我相信自己的动手能力必会有所提高，同时也增加了自己对于设计的系统性、科学性以及全面性的理解。同时，此次开关电源并联供电系统的设计不仅涉及到了硬件电路的设计，更是使用到了软件编程，我相信我能够通过此次开关电源并联供电系统的设计进一步了解到程序编写方面的知识。1.2 国内外研究现

17、状1.2.1 国内外现状简介目前，在我国的通信、家电、信息以及国防等各个领域的电源使用中普遍采用的高频开关电源技术、相控电源技术逐渐在被淘汰 5。在我国，开关电源技术基本起源于二十世纪七十年代末和八十年代初，经过了二十多年不断的发展，我国的开关电源技术相较于以前有了长足的进步与重大的突破。在新型变压器和新型磁性材料的成功开发，专用集成控制芯片的成功研制以及 EMI 滤波器技术和新型电容器的进步中，开关电源完成了小型化的目标，并且其 EMC 性能得到了极大的提高。与此同时，微处理器监控技术的应用不仅提高了开关电源的整体的可靠性，同时也能达到市场对于其智能化的严格要求。总而言之，若回顾一下开关电源

18、技术一直以来的发展过程，我们可以清楚地看到，小型化、智能化、集成化、高效率以及高可靠性是当今开关电源技术的发展潮流，同时也是今后所要研究的一个重要的方向。顺着这几年光伏产业以及电子产品的迅猛发展潮流，开关电源并联供电系统也普遍被应用到各个有电需求的领域。逆变焊机、电动自行车、电镀金以及一些需求大功第 3 页 共 35 页率电源的供电场合都应用到了这项技术 6。同时，单片机的应用以及创新也是未来的一个重要发展方向，在此次开关电源并联供电系统的设计中，我们使用单片机进行控制，相较于其他相似的设计，这将会有许多的优点。同时，对于一项电子产品而言，我们往往十分在意它在系统稳定性方面的系数，而电源技术对

19、此的要求更为突出。在开关电源并联供电系统中，想要提高其稳定性，那就必须要解决各个并联的模块的输出电流平均分配的问题，这也是一直以来国内外对于开关电源并联供电系统研究的一项重要项目。目前，在国内外都比较流行的是几种并联均流方案，例如下垂法、自动均流法、最大电流法、主从电源法以及外部控制器法等等。其中，主从均流法是目前在国家级别上使用的较多的并联均流方案，而同时，美国的 Unitrode 公司则开发出了以最大均流法为基础的 UC3907 芯片。UC3907 芯片由于拥有着结构简单、功能强大等十分突出的优点，得到了各个领域在芯片选择上的广泛使用。在当今单片机技术以及 DSP 技术迅速发展的大背景下，

20、使用它们来控制并联的电源模块的均流能够取得比较出色的效果。但是，由于其具有成本偏高，并且自身的 A/D 以及 D/A 精度不够等比较重大的缺陷，UC3907 芯片还没有得到广泛的普及。我们此次开关电源并联供电系统的设计将通过主从均流法配合单片机来完成。1.2.2 改进的常用均流控制法在理论分析上，在并联的 Boost 变换器均流控制系统中运用改进的自动均流法，可以在低频域里面将 Boost 变换器的外部环路系统由二阶系统改变为一阶系统。这能够在确保其动态响应得到良好保证的前提下，简化 Boost 变换器的控制回路。能够分析并给出平均电流模式下的自动均流控制系统的方法，给出其控制回路的设计原则，

21、并且在理论上能够不限模块数量地使用该控制方法来进行多个模块的并联。并使外部环路由二阶系统降为一阶系统来更有效地提高动态的均流效果，并且更加具有实用性。而另外一种则是通过与模块中的故障检测端结合得到的自动均流电路。这种平均电流均流法是通过实时监测的电源状态来控制继电器的开关。若在整个系统中的任意一个电源模块出现故障，无法继续正常工作时，这种自动均流法会降低母线的电压，而该种改进的方法能够得以有效的解决。1.2.3 新型的均流控制法从简化系统的结构，扩展系统并改善其性能，提高系统的精度，提高系统的可靠第 4 页 共 35 页性以及减少系统的成本等几方面出发，提出了无主从模块，无主模块，无运放，无模

22、数转换器，无传感器等多种通过简化系统来进行的均流控制方案 7。（1） 交互的变换器并联跟随均流控制方法该方法能够在实现无主从模块的控制策略的同时实现 N+1 冗余，并且因为各变换器之间的信息交换为数字信息，具有抗干扰，高可靠性以及成本较低的优点。（2） 无主模块的多项 DC-DC 变换器均流方法该方法能够通过控制基于数字总线通讯的 DC-DC 变换器并联系统来扩展简化系统结构，提高可靠性和降低成本。同时，任意数量相位都具有可测性。（3） 无传感器的数字均流方法在现今的均流技术中，大多是依靠传感器的检测来比较各相的电流大小，要使用这种方法就会十分依赖传感器的精确程度，然而我们并无法很好地掌握传感

23、器的精度，因为传感器的精度是受到其老化程度和寄生参数等各种因素的影响。因此，我们往往需要增加更多的电路来减少或者消除传感器误差的影响。虽然传感器的精度问题并不是无法解决，但是往往因此，系统的优化会变差，并且电源转换效率也会减少。结合以上的多方面考虑，人们研究出了一种无传感器的均流方法，这种方法很好地规避了传感器的精度带给整个系统的负面影响，同时因为其不需要离线和在线的校正，转换电路的效率将会提高许多。（4） 无均流线的均流控制方法该方法是将每个电源模块直接进行并联，使每个电源模块的控制电路独立出来，不通过连接线来连接，同时叠加高频交流信号在输出端上来传递输出电流的信息来达到均流的目的。使用该方

24、法来进行开关电源并联供电系统的均流能够很好地提高开关电源并联供电系统的可靠性。（5） 对数多相变换器的均流控制方法该方法是通过改善不均衡的变换器效率来实现均流。将变换器中的各相都变成以二为权重的恒流源，可以通过二的对数方式来排列。在不同的系统组成和不同的频率下，针对给定电流选择各相的开关状态来获得最有效的工作点来提高动态响应的速度和减少系统的规模。因为使用此方法进行电流测量时可以不通过模数变换器，因此很适合低功率高频率的变换器，提高了系统的效率，并且具有很好的动态特性。（6） 无运放的均流控制方法第 5 页 共 35 页该方法是通过低通滤波器加上比较器来产生电流的误差信号而不是通过运放来产生，

25、这会使电路的工作状态变得十分可靠。电流均分母线上的电压决定了每个电源模块的输出电流，因为各个并联模块之间的均流电路是依靠电流均分母线连接的。1.3 分布式电源系统的发展早在二十世纪的七十年代，分布式电源系统的概念就已经被学者提出，它原本是为计算机系统以及通信系统提供电源的。在分布式电源系统得以应用之前，若想要提高计算机系统以及通信系统工作的可靠性，人们通常是使用对电源设备进行备份的方法。这样就会导致成本的攀升，往往人们无法做到同时考虑经济性与可靠性。相比于集中式供电系统，使用电源技术使一个个较小的电源模块组合成功率较大的电源系统不但能够降低成本，更能提高其整体系统的可靠性，因此此项分布式电源系

26、统在供电系统中得到了迅速的广泛应用 8。随着分布式电源系统变得越来越成熟，人们开始使用更多的电源模块来并联成一个完整的供电电源系统。如图 1.1 所示为了提高系统的稳定性，常用的方法是降低每个电源模块的容量。并且由小功率的电源模块并联而成的大功率电源系统具有灵活且较易制作具有冗余模式的开关电源系统的优点。输入 输出图 1.1 分布式电源并联结构图同时，因为若可以通过开关电源模块来组成大功率的开关电源并联供电系统，并且对组成的开关电源模块进行标准化，那么在实际的生产中，使用同一标准生产能够减少电源种类，并降低生产、设计的成本和周期。所以若想要得到同时具有可靠性高和容量大的优点的电源系统，我们完全可以通过生产标准化的电源模块，并将它们并模块 1模块 2模块 n