1、本科毕业论文（20 届）开关电源模块并联供电系统的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 系统总体设计 .3第 1.1 节 设计任务 .3第 1.2 节 设计要求 .3第 1.3 节 设计总结构 .3第 2 章 系统硬件设计 .4第 2.1 节 控制模块的方案 .4第 2.2 节 开关电源 DC-DC 的方案 .5第 2.3 节 其他模块 .6第 2.4 节 总硬件设计 .7第 3 章 系统软件设计 .8第 3.1 节 程序功能描述 .8第 3.2 节 程序设计思路 .8第 3.
2、3 节 程序的算法 .9第 4 章 系统测试 .11第 4.1 节 测试条件和方法 .11第 4.2 节 实验数据 .11结论 .12参考文献 .13致谢 .14附录 .15附录 1：实物照片说明 .15附录 2：实物 PCB 板 .15附录 3：原理图 .16附录 4：部分源程序 .18苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页开关电源模块并联供电系统的设计【摘要】：开关电源并联供电系统主要由 DC-DC 开关电源模块，控制模块，按键模块和显示等模块组成。以 GS6300 为功率输出核心的 DC-DC 模块，能够实现输出电压和输出电流的控制。控制模块由 STM32F103 微控制器检测开关稳压
3、电源的输出电压，电流发出控制命令，控制 DC/DC 模块完成并联供电系统均流与分流工作，从而达到设计的要求。微控制器不但可以通过按键模块实现用户命令的输入，实时的在显示屏上显示所需数据，而且根据不同情况，通过调节按键和旋钮，可以实现功能参数的微调完成电源并联电流调节功能，从而达到自动和手动两种模式。这样就可以方便快速的完成设计要求。在设计过程中，很好的选择了芯片和材料可以减少不必要的麻烦，并带来许多好处，最终使得结果符合设计要求。【关键词】：开关电源；并联模块；DC/DC；Abstract: Parallel switching power supply system consists of
4、DC-DC switching power supply module, control module, the key module and display module. GS6300 is the power output to the core of the DC-DC module enables control of output voltage and output current. The control module issued by the STM32F103 microcontroller detects switching power supply output vo
5、ltage and current control command, control DC / DC module power supply systems were completed in parallel with the shunt current work to achieve the design requirements. The microcontroller can be achieved only through the key input user command module, real-time display of the required data on the
6、screen, but under different circumstances, by adjusting the buttons and knobs, fine-tuning parameters can be completed in parallel with the power supply current regulation, which achieve automatic and manual modes. So you can easily and quickly complete the design requirements. In the design process
7、, a good choice of chips and materials can reduce unnecessary trouble, and bring many benefits, and ultimately makes the results meet the design requirements.Key words: Switching Power Supply；Parallel modules；DC/DC苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器。它在电力电气中起着至关重要的作用。电流和电压的是否稳定，决定了电子电气设备的工作
8、性能和效率，而且随着电子技术的不断发展和创新，对电源的可靠性，效率，功率的要求越来越高了。在电源实际应用中，由于种种原因，例如功率不够大，稳定性不好等，传统的单个电源供电系统已经不能满足设备要求了，这就需要引进新的技术了。而电源并联供电技术的出现，很好的解决了这类问题。它可以提供更多的能量给设备，还可以减少电源的耗损，提高电源的寿命，还可以更好更有效的提供设备能量，减少不必要的损耗和电源的浪费，例如同样是供给设备电能，开关电源并联系统可以有选择的供电，其中设备电源要求高就几个电源供一台设备，要求低，就提供一个电源，或者还可以多个电源提供少量电能就可以满足设备要求。这样一来，电源供电就变的多种多
9、样，可以满足各种不同设备的不同需求，所以说，开关电源并联供电技术很好的解决了电源供电问题。开关电源并联模块供电在将来的前景是非常远大的但是多个电源采用模块式的方法供电不是简单的进行并联就可以了，而是还要考虑各供电系统的电流，电压分配问题，是均流，还是均压，防止单个电源提供过大功率而损坏电源设备，这对整个系统的稳定性和可靠性有很大的影响。对于上述问题，社会上出现了各种不同的方法来解决问题，其中代表性的有单片机，ARM，FPGA 控制等，通过控制系统的计算，发布命令，人为操作，来控制并联系统的分压，分流，从而达到想要的目的。本文就是利用这一方法，以 GS6300 为功率输出核心，该 dc-dc 模
10、块能实现输出电压和输出电流的控制，由 STM32F10X 微控制器检测开关稳压电源的输出电压，发出控制命令，控制 DC/DC 模块完成并联供电系统均流与分流工作。微控制器通过按键实现用户命令的输入，实时的在显示屏上显示数据，根据不同情况，调节按键和旋钮，可以实现功能参数的微调完成电源并联电流调节功能，具体可以分为手动模式和自动模式，这里基本上解决了设计的要求，实现了设计想要的结果。本文对开关电源并联供电系统进行了系统的描述，分别就控制模块的选择，DC-DC模块的选择和软硬件的分析上进行了介绍，展示给大家整个设计过程。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 系统总体设计第 1.1 节
11、 设计任务设计并制作一个由两个额定输出功率均为 16W 的 8V DC/DC 模块构成的并联供电系统，并且以此借助制作了一个系统的人机交互界面.。第 1.2 节 设计要求（1）调整负载电阻及按键，使并联供电系统至额定输出功率工作状态，并且使供电系统的直流输出电压 U0=8.0V （2）在额定输出功率工作状态下，使得供电系统的效率不低于 60%。（3）通过调整滑动变阻器的阻值以及相应按键，使得并联供电系统在保持输出电压UO=8.0V 的前提下，使两个模块输出电流之和 IO=1.0A 并且按照 I1:I2=1:1 模式进行自动分配电流，并且每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。 （4）通
12、过调整滑动变阻器的阻值以及相应按键，使得并联供电系统在保持输出电压UO=8.0V 的前提下，使两个模块输出电流之和 IO=1.5A 并且按照 I1:I2=1:2 模式进行自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于 5%第 1.3 节 设计总结构电路的设计是基于 BUCK 结构的开关稳压电源 DC-DC 模块，以 GS6300 为功率输出核心，该 DC-DC 模块能实现输出电压和输出电流的控制，由 STM32F10X 微控制器检测开关稳压电源的输出电压，发出控制命令，控制 DC/DC 模块完成并联供电系统均流与分流工作。微控制器通过按键实现用户命令的输入，实时的在显示屏上显示数据，根据
13、不同情况，调节按键和旋钮，可以实现功能参数的微调完成电源并联电流调节功能。如图1-1 所示。控制模块按键模块显示模块开关电源开关电源键盘控制D A D AA D I A D ID C - D C1 6 W8 V图 1-1 电路的总设计苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页第 2 章 系统硬件设计第 2.1 节 控制模块的方案方案一：采用 AT89S52 单片机控制。由于 51 单片机虽然价格低，功耗低，且技术成熟，但是资源有限，控制输入输出，需要外接 A D、DA 等，适用于常规编程，广泛运用于嵌入式控制应用系统，实现本题功能较为复杂，而且其运算速度低，功耗高。如图 2-1 所示。图 2-1
14、 AT89S52 引脚图 图 2-2 MSP430F169 引脚图方案二：采用 MSP430F169 单片机进行控制。MSP430F169 单片机具有低功耗，价格便宜，有足够的 I/O 引脚，内部集成 8 路 12 位 ADC 和 2 通道 12 位 DA，可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出，控制简单，易于实现。如图 2-2 所示方案三：、采用 STM32F10XSTM32F 系列属于中低端的 64 位 ARM 微控制器，内部有非常丰富的资源，运算速度快，具有强大的 PWM 输出功能，低电压供电，超低损耗，可以实现更高的性价比要求，可以满足 PWM 的控制要求，并且如果设计上加
15、上彩屏的话，与 MSP430F169 相比更加易于采集，运算更快。如图 2-3 所示图 2-3 STM32F10X 引脚图所以，综上所述，经过比较在这里我选择方案三作为系统的控制模块。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页第 2.2 节 开关电源 DC-DC 的方案2.2.1. 结构选择方案一：升压电路在实际中应用广泛，但专用升压芯片有很多限制，而 BOOST 结构的开关电源，就是一种升压型电路。如图 2-4。图 2-4 电路的 BOOST 结构 图 2-5 电路的 buck 结构方案二：以 BUCK 结构的开关电源，是一种降压型电路，且在小功率非隔离开关电源上应用得到广泛 的应用。其降压结
16、构外接开关管有很多选择性，可以选择很多合适的控制芯片，并且 buck 结构的开关电源简单且控制效果好，因而在开关电源领域有广阔的发展前途。如图 2-5。相比较而言，BUCK 的功率容量更大，基本的 BUCK 电路简单，控制容易，且性能稳定，降压方式更好2.2.2. 芯片选择方案一 采用 PWM 控制芯片 采用 TI 公司的脉宽调制控制器 LM331 作为 BUCK 型拓扑扩流的 PWM 控制芯片。LM33 的最高工作频率 300KHz，内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，方便做过流保护；但由于 BUCK 型拓扑的 MOS 管驱动需外加上管驱动芯片LM324，而 LM324
17、 会有 0.2W 左右的功耗，对于仅 5W 输出的电源来说，会消耗掉 4 个百分点的效率。方案二 采用 GS6300 芯片中广芯源推出 3A 恒压恒流芯片 大电流恒流恒压 电源芯片 GS6300,4.540V 输入,12v 转 5v 转 3.3V 3A 大功率 LED 驱动芯片 GS6300,中广芯源新推出的一款高效率、恒流，恒压充电芯片 GS6300。输入电压范围可由最低 4.5 伏特到最高 40 伏特，输出电压 1.3-37V 可调整，输出电流高达 3A。非常适合于车载小尺寸液晶电视，数码相框、便携 DVD、MP4、PMP 等便携数码产品锂电池供电设备充电。GS6300 应用电路非常简单，
18、外围器件极少。并具有 enable pin 用于开关功能， （恒压CV，恒流 CC，过压保护 OVP） ，可靠性高，工作频率低（ 52KHz） 。 精度高，耐压高等优点！苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页方案三 采用 LM2596LM2596 是一款降压型的 PWM 调节方式的开关稳压电源芯片，内部振荡频率为150KHZ，最大输出电流为 3A，最大输出电压为 40V，可以使用通用的标准电感，所以极大简化了电源的设计，通常被用做恒压电源。经过上述方案的比较很容易的选择方案二作为我们设计的系统芯片。第 2.3 节 其他模块2.3.1. 均流电路的方案开关电源并联供电系统的使用，可以实现电源模
19、块化和标准化，可以提高供电系统的可靠性，电源系统中的均流方案可以使电路中电流均匀分配，从而达到高效率的供电，在这里我们选择由芯片 GS6300 来实现分流功能的，因为该芯片内部自带的恒流功能，可以减少电路的复杂度，不需要另外的电路来完成这项任务。2.3.2. 电流电压的检测为了更好更准确的运行系统程序，检测外部信号的电流电压是必不可少的步骤，这样通过外部数据的具体显示，可以使我们更好的了解系统的运行，然后可以简单方便，快速的调整按键模块的部件，从而达到我们想要的目的。AD:检测 DC-DC 模块输出电压，检测探针的电流值，可以通过调节按键模块的部件，测得不同数据，并且和在显示屏上显示不同数据作
20、比较，观察系统运行是否正常，并且准确快速，如图 2-6 所示，图 2-6 电路的 AD 检测DA：送出控制信号（控制 DC/DC 电源输出电流） ，并可以检测出实际输出电流，图中的设计很好的使电路中功率放大，其他数据不变，更好的放大，清楚使各种数据的表现出来，详细原理，如下图 2-7 所示。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页图 2-7 电路的 DA 输出2.3.3. 过流保护方案很多电子电气设备都会有一个额定电流，不允许电路器件超过额定电压电流，所以都需要设计一个电流保护电路，当系统超过部件的额定电流时，自动断开连接，保护设备。所以这设计电路时，一定要考虑到过流保护的问题。这个实际中，我
21、选择了由芯片GS6300 来实现过流保护功能，因为该芯片自带的过流保护的功能，可以减轻硬件电路的负担，不像其他的设计，还需要专门设计过流保护电路。第 2.4 节 总硬件设计图 2-8 电路的硬件部分设计详细清晰图片请见，附录三原理图（1） 图 2-8 中 S1，S2 表示的是按键控制，控制自动模式还是手动模式。（2） 图 2-8 中 Y1 这部分表示的是晶振电路，又称为时钟电路，为电路提供运行工作的能量。（3） 图 2-8 中左下角是电源部分，结构和电路都像很多电路一样，实现 5V-3.3V的转换，很好的解决电路中电源问题。（4） 图 2-8 中最下边是电路的滤波网络苏州大学本科生毕业设计（论
22、文）第 8 页第 3 章 系统软件设计第 3.1 节 程序功能描述主要实现电路参数的键盘设置和显示。1）键盘实现功能键盘分两个按键和一个旋钮，而按键 A 的作用是来确定运行手动模式还是自动模式；按键 B 的功能是在按键 A 选择自动模式下，接着确定是电路按 1:1 还是 1：2 的比例进行工作的；最后是当按键 A 选择手动模式下，则就是旋钮起作用了，旋钮的功能当然是通过旋转来，改变电路中电阻的阻值，从而改变电路电压电流，并确定显示屏上的数据，最终得到自己想要的结果。2）显示部分：显示电源，输出电压，输出电流，输出功率等参数。随着通过按键模块的按键和滑动变阻器的调整变化，可以快速的变化，实现想要
23、的结果，并且可以直接观察和读出输出电流和输出电压的变化和读数，使设计更加方便和实用。如图 3-1 所示。图 3-1 电路的显示部分第 3.2 节 程序设计思路 程序的总体设计思路见下图 3-2，大体是把想要的设计结果清晰明了的表现在显示屏上，具体是通过显示模块，按键模块来表现，首先是在显示屏上显示初始化的数据，然后依据用户的需求，通过测试外置测试端，然后看是否符合要求，假如不符合，则返回，反之假如符合，则进行下一步，然后是按键模块，通过按键调节，从而改变子程序的运行如图 3-3 所示。而软件编程的主要由一个和屏幕显示库，按键功能库，汉字库等组成。其中最重要的是主函数 Main 函数，它是整个系统的总体结构，包括主要由三部分组成，有初始化程序，数据运算程序，与 按键子程序构成。整个程序通过不断调用各种子程序，完成了软件上的运行，再加上硬件的调节，两
