大學生電子設計大賽

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題目名稱：開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)（A

題）

摘要

開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)是采用8位Atmega88的開關電源，主電路采

用LM2576和LM2596作為兩塊并聯(lián)的開關電源。LM2576作為恒壓源，LM2596作

為恒流源。該兩塊開關電源保證系統(tǒng)的效率，電流電壓調整率和輸出精度要

求。系統(tǒng)具有限流保護功能，HD7279鍵盤輸入輸出等多種功能。該系統(tǒng)主要采

用硬件反饋調節(jié)，調整能力強，使單片機負載小。

本系統(tǒng)功能完善，在支路在0.5-2A輸出范圍內，干路電流輸出范圍使1-

4A其分壓比由外界輸入。由AD采用，讀出干路電流，經(jīng)數(shù)字電位器調整恒流

源工作狀態(tài)，使其自調整實現(xiàn)固定分壓比，并且電流精度滿足在百分之五以

內。關機或過流保護收后，具有可以記憶參數(shù)、自恢復功能。

Abstract

Switchingpowersupplymodulesinparallelpowersupplysystemistheuof8-bit

Atmega88switchingpowersupply,themaincircuitLM2576andLM2596astwoparallel

2576asthevoltagesource,LM2596asaconstantcurrent

switchingpowersupplytoensureefficiencyofthesystem,currentand

hasacurrentlimitprotection,

temushardwarefeedbackregulation,

adjusttheabilitytomakeasmallsingle-chipload.

Thesystemisfunctional,thebranchintheoutputrangeof0.5-2A,distributors

theAD,to

readoutthecurrenttrunk,thedigitalpotentiometertoadjustthecurrentsourceworking

condition,tolf-adjusttoachieveafixedpartialpressureratio,andaccuracytomeetthe

losingdownorover-currentprotection,withmemory

parameterscanbe,sincetherecovery.

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1方案論證與比較......................................................................................................3

1.1系統(tǒng)方案論證.....................................................愛撫的近義詞 ................錯誤!未定義書簽。

1.2過流保護方案論證.............................................................................................5

2系統(tǒng)設計..................................................................................................................6

2.1總體設計.............................................................................................................6

2.2單元電路設計.....................................................................................................7

2.2.1數(shù)字電位器電路設計...................................................................................7

2.2.2AD轉換電路設計........................................................................................8

2.2.3恒流部分電路設計.....................................................................................10

2.2.4恒壓部分電路設計.....................................................................................12

3軟件設計................................................................................................................13

4系統(tǒng)測試................................................................................................................15

5結論........................................................................................................................17

參考文獻：..................................................................................................................17

附錄：..........................................................................................................................17

附1：元器件明細表：...........................................................................................17

附2：儀器設備清單...............................................................................................17

附3：電路圖圖紙...................................................................................................17

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1方案論證與比較

1.1系統(tǒng)方案選擇

題目分析：

根據(jù)題目要求，負載端電壓為8V，允許誤差為0.4V。題目要求兩個支路

電流比可調，即兩個開關電源的內阻可調。毛血旺的家常做法材料 所以兩種基本方案：直接改變禮儀的名言 開關

電源內阻；通過調整開關電源輸出電壓，間接改變內阻。要求效率要大于

60%，所以要選用大于60%的開關電源并聯(lián)是可行的。電源應該具有掉電保護功

能，可以用EEPROM來記憶系統(tǒng)重要參數(shù)。系統(tǒng)還應該具有掉電保護功能，可以

通過MCU控制LM2596和LM2576的ON/OFF管腳來實現(xiàn)對電路的過流保護。

方案選擇:

方案一、

該系統(tǒng)首先對通過負載的電流和負載兩端的電壓進行采樣返回到MCU，

計算出當前負載，然后根據(jù)已知的分流比，計算出和。單片機通過對開關板

電壓的采樣穩(wěn)定住兩個開關電源的輸出。然后計算出兩個開關電源串聯(lián)的可變

電阻的阻值的大小。通過MCU改變可變電阻的大小。

方案分析：其中，根據(jù)題目要求，通過可變電阻的電流要0.5-2A，可變電阻要

是大功率電阻。而實際中，數(shù)字電位器并不能承受大電流。所以不能采用數(shù)字

電位器。另外一種方法是通過繼電器控制一些列的大功率電阻的導通和關閉。

這種方案涉及的電路的設計比較少，雖然簡單，實際中也沒有采用。

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方案二、

該系統(tǒng)采用兩塊開關電源，在其輸出端加保護電阻。由MCU檢測負載兩

端電壓和電流，計算出當前負載，然后計算當負載兩端為8V時的，通過負載應

該為多大電流。然后根據(jù)輸入的分壓比，計算兩個支路應該輸出的電流。然后

根據(jù)保護電阻的阻值，確定損失在保護電阻的電壓。最后通過單片機控制開關

電源的電壓輸出。其中，對開關電源的輸出采用PID控制技術。

方案分析：該電路靈活性比較好。能滿足題目的要求，甚至，可以任意更改需

要穩(wěn)定的電壓值（本題中為8V）。但是該電路控制起來非常復雜，總共四路采

樣，三路PID。主控制芯片為ATmega88，處理能力很可能會滿足不了在規(guī)定時

間內穩(wěn)定的條件。所以沒有采用該方案。

方案三、

該系統(tǒng)采用開關恒流源和開關恒壓源的方案。單片機對主干路和恒流源

支路進行兩路電流采樣。該系統(tǒng)采用具有自調整功能的開關電源構建恒流源和

恒壓源。其中，恒壓源負責穩(wěn)定輸出電壓，由單片機控制恒流源的電流，由恒

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壓源補充剩下的電流。這樣，即保證了恒壓輸出的要求，由恒流源保證了分流

比。

方案分析：該方案簡單可行，單片機負載小，電路多采用硬件自調整，因而具

有很好的可行性。由單片機控制恒流源輸出也更具有精準性和可調整性。

1.2過流保護方案選擇

方案一：

利用電磁繼電器作為開關，控制總電路通斷，當電流值超過4.5A時，程序

控制繼電器關斷，實現(xiàn)過流保護。

方案分析：

此方案合理，但是需要另加電磁繼電器，對功率有一定損耗，也增加了硬

件成本，雖然可行，但是并不最優(yōu)。

方案二：

直接利用lM2596-adj和LM2576-ADJ的on/off端，實現(xiàn)對電路的控

制。當電流超過4.5A時，on/off端拉高，芯片停止工作，等待，單片機電流

檢測點降至2.0以下時，芯片繼續(xù)工作。

方案分析：

此方案實現(xiàn)簡單，無需外加硬件，功率損耗小，但是，兩芯片同時關斷

后，單片機無法正常供電，無法實現(xiàn)自動恢復。

方案三：

利用LM2596和LM2576的on/off端，通過MCU，控制引腳高低電平，實

現(xiàn)過流保護，單片機通過一個單獨的LM2596-5供電，即使關斷開關電源兩路

輸出，單片機也將正常工作。

方案分析：

此方案硬件上略有增加，但是切斷了單片機和開關電源的電器聯(lián)系，不僅

有利于過流保護，還對整個電路的電氣特性有很好的改善作用。故選擇這種電

流保護和自動恢復方式。

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2系統(tǒng)設計

2.1總體設計

系統(tǒng)框圖如下：

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系統(tǒng)電路圖

2.2單元電路設計

2.2.1數(shù)字電位器電路設計

MCP41010的內部結構

MCP41010的內部含有：SPI總線接口、一個POT(電位器)。POT內有一個8

b滑刷控制數(shù)據(jù)寄存器。該電阻最大值可為10k?，50k和100k?，單位電阻為

量程除以256。題目實際采用的是10K?。

MCP41010的控制方式

MCP41010具有SPI總線接口，采用簡單的2B指令結構。它的控制方式非

常簡單，可以采用SPI總線通信，也可以采用軟件模擬SPI總線時序。

MCP41010的指令格式

MCP41010的指令非常簡單，由兩段組成每段均有一個字節(jié)：第一段為命令

字節(jié)，第二段為數(shù)據(jù)。命令字節(jié)中第2，3位和6，7位為無效位，不用對其操

作；C1，C0為指令選擇位；P1，P0為電位器選擇位，由于MCP41010只集成了

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一個電位器，所以P1，P0必須設為01。在MCP41010中，C1，C0為01時為寫

數(shù)據(jù)指令；C1，C0為00或11時為空操作；C1，C0為10對應關閉模式用于

MCP42XXX系列數(shù)字電位器。在MCP41010中寫命令字節(jié)通常為0x11，數(shù)據(jù)字段

為8b／s數(shù)據(jù)，可以置滑動端到256個端點中任何一個，因此精度非常高。

MCP41010的指令序列傳輸

先寫命令字節(jié)再寫數(shù)據(jù)字節(jié)。為數(shù)字電位器片選端，只有為低電平時，命

令字和數(shù)據(jù)字才能進入16位移位寄存器。當出現(xiàn)上升沿時，移位寄存器的值進

人數(shù)據(jù)寄存器，從而改變了電位器阻值。SCK為時鐘線，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿

進入SI數(shù)據(jù)線。器件會在上升沿時自動監(jiān)測低電平時SCK的脈沖數(shù)，也就是上

升沿的個數(shù)，只有時鐘數(shù)為16的倍數(shù)時，命令才能執(zhí)行，否則命令失效。一個

完整的MCP41010寫時序包括以下幾個部分：

(1)起始位。以為低電平，SCK出現(xiàn)上升沿為起始標志。

(2)傳送MCP41010的命令字段。

(3)傳送8b的數(shù)據(jù)字段。

(4)停止位。以SCK為低電平，CS出現(xiàn)上升沿為SPI總線傳輸結束標志。

【計算公式：】

Command為0x11時選用10K歐姆范圍，PB0有效。

理論輸送BYTE理=電阻值R*(255/10)；

但是實測數(shù)字電位學雷鋒心得體會 器輸出范圍不到10K，僅為9.3K歐姆，因而修正后得到：

實際輸送BYTE實=電阻值R*(255/9.3)；

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2.2.2AD轉換及控制模塊電路設計

【電路圖：】

先將小電阻采得的小電壓經(jīng)MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887

進行采樣，將轉換的數(shù)據(jù)送mega8進行處理。

MAX4172概述：

MAX4172是MAX系列電流檢測放大器芯片中的一款低成本、高精度、高邊電

流檢測放大器。

MAX4172通過一個外接測流電阻R，來檢測負載電流，改變測流電阻的阻值

即可對不同負載

電流范圍進行一個大范圍的輸出電壓和電流。

其最終輸出電流公式：

I_out=G_m*I_load*R_n

輸出電壓公式：

V_out=G_m*R_n*R_out*I_load

其中，Vout為所要求取得輸出電壓，Iload為需檢測的負載電流，Rn

為測流電阻，Rout為電壓調整電阻，Gm為MAX4172的跨導，其值為10毫安每

伏。

1．測流電阻R_n的選取：

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測流電阻R_n的選取有兩個方面的含義：一方面是指R_n阻值的

選取,另一方面是指R_n采取哪種方法實現(xiàn)。

測流電阻R_n阻值的選取主要基于以下幾個原則：一電壓損失。高

R_n阻值將會使電源電壓降低。為了使電壓損失最小,需選用阻值盡量小

的R_n。二精確性：高R_n阻值可使較低的電流被更精確地測量。這

是因為當檢測電壓較大時偏差就變得不奮斗格言經(jīng)典短句 顯著。為了達到最好的性能,可選取

R_n阻值為滿刻度。檢測電流時能提供檢測電壓接近100mV（滿刻度檢測電

壓的典型值）的阻值,即R_n≤100mV/I_load。三、效率和功率耗損。當

電流較高水平時,測流電阻保安員管理制度 +,?],?上的功率損失將比較顯著,選擇電阻時需

要考慮這個問題,該電阻的額定功率損耗也必須考慮。同時,當該電阻由于功率

較高溫度升高時,R_n的阻值也

會產(chǎn)生溫度漂移。

在選取測流電阻的阻值時,以上的三個問題需要綜合考慮,阻值過高或過

低都不利流的檢測。最終,根據(jù)以上討論和系統(tǒng)需要,本電路選取阻值為干路

上0.02歐，恒流支路上為0.04歐的測流電阻。

2.電壓調整電阻Rout的選取：

電壓調整電阻Rout的值確定了滿刻度輸出電壓范圍，而由要求的滿刻

度輸出電壓必須小于等于芯片電源電壓輸入減1.2V，故選擇MAX4172干路上接

+5V電，支路上接+24V電。

【計算公式：】

MAX4172外設電路非常簡單。其實際上為一恒流源，所以在OUT端接一個下拉

電阻，進而得到其放大倍數(shù)。其關系如下：

Vout=Vn*R/100

其中Vn為Rs+和Rs-端輸入的電壓差

采樣芯片計算公式為

Data=Vref*Vin/4096

其中Vin為要采樣的電壓

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2.2.3恒流部分模塊設計

【電路圖：】

【計算公式：】

硬件PID過程：

電流I2經(jīng)采樣后轉為小電壓:

Vi2=V2_POUT—V2_OUT，

經(jīng)放大得:

I_CH2=Vi2*放大倍數(shù)B；

在經(jīng)過跟隨器LM324AD（起隔離作用）得：

I_FB=I_CH2；

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反饋至數(shù)字電位器經(jīng)分壓得Vref實，然后芯片自調節(jié)使其不斷逼近Vref=

1.23伏特。

根據(jù)其調整關系，即Vfb=Vref，建立起恒流源輸出電流和數(shù)字電位器的關系，

推到過程如下：

設恒流源輸出電流為I，采樣電阻為R，叉車管理制度及操作規(guī)程 max4172放大倍數(shù)為，數(shù)字電位器阻

值為R2，其分壓電阻阻值為R1。

那么經(jīng)過放大后可得

Vout=I*R*

經(jīng)過分壓電阻分壓后得到的反饋電壓為

Vfb=（1+）*Vout

反饋電壓等于芯片內部基準源。

Vout=Vfb

聯(lián)立公式，反解電流I得到

I=Vref**（1+）

在實際中，該電路采用了放大100倍，采樣電阻為0.04?，R1=6000?

總結得：

I=0.3075*(1+6000/Rs)。

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2.2.4恒壓部分模塊設計

【電路圖：】

恒壓源中，反饋電壓等于基準源。其公式如下：

Vout=Vref*（1+R2/R1）

此題中R2為10K，R1為1.2K，所以Vout=8V。

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3軟件設計

軟件流程圖如下：

模塊初始化

采集母線電流AD_I1

AD_I1范圍？

AD_I1<

=1.1

1.1

_I1<=1

.5

2

1<=3.5

AD_I>3

.5

CASE1調節(jié)CASE2調節(jié)CASE3調節(jié)CASE4調節(jié)

AD_I>4.5？

過流保護顯示

主流程圖

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已經(jīng)得出母線電流范

圍，同時確定輸入比例k

算得Iref2

算得數(shù)字電

位器Rs

Rs轉換后經(jīng)SPI發(fā)

送給數(shù)字電位器

由模擬SPI發(fā)來AD測

得的二進制數(shù)值

經(jīng)過轉換成

電流值

顯示

AD_I>4.5,

Protectflag=1。

斷兩路電源

AD_I<1.1A?

Protectfl

ag=0

采集母線電

流

AD_I1AD_I1

范圍

NO

YES

Ca子程序流程圖過流保護流程圖

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4系統(tǒng)測試

4.1數(shù)字電位器電位-電流測量【Rs-I】（室溫條件下）

電阻/歐

姆

電流/AREG

電阻/歐

姆

電流/AREG

電阻/歐

姆

電流/AREG

937.502.276242539.061.034655039.060.674129

976.562.197252578.131.023665078.130.671130

1015.632.124262617.191.012675117.190.668131

1054.692.057272656.251.002685156.250.665132

1093.751.994282695.310.992695195.310.663133

1132.811.936292734.380.982705234.380.660134

1171.881.882302773.440.973715273.440.657135

1210.941.831312812.500.964725312.500.655136

1250.001.784322851.560.955735351.560.652137

1289.061.739332890.630.946745390.630.650138

1328.131.697342929.690.937755429.690.647139

1367.191.657352968.750.929765468.750.645140

1406.251.620363007.810.921775507.810.642141

1445.311.584373046.880.913785546.880.640142

1484.381.550383085.940.905795585.940.638143

1523.441.519393125.000.898805625.000.636144

1562.501.488403164.060.891815664.060.633145

1601.561.460413203.130.884825703.130.631146

1640.631.432423242.190.877835742.190.629147

1679.691.406433281.250.870845781.250.627148

1718.751.381443320.310.863855820.310.624149

1757.811.357453359.380.857865859.380.622150

1796.881.334463398.440.850875898.440.620151

1835.941.312473437.500.844885937.500.618152

1875.001.292483476.560.838895976.560.616153

1914.061.271493515.630.832906015.630.614154

1953.131.252503554.690.827916054.690.612155

1992.191.234513593.750.821926093.750.610156

2031.251.216523632.810.815936132.810.608157

2070.311.199533671.880.810946171.880.606158

2109.381.182543710.940.805956210.940.605159

2148.441.166553750.000.800966250.000.603160

2187.501.151563789.060.794976289.060.601161

2226.561.136573828.130.789986328.130.599162

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電阻/歐

姆

電流/AREG

電阻/歐

姆

電流/AREG

8789.060.5172259面對生活 335.940.505239

8828.130.5162269375.000.504240

8867.190.5162279414.060.503241

8906.250.5152289453.130.503242

8945.310.5142299492.190.502243

8984.380.5132309531.250.501244

9023.440.5122319570.310.500245

9062.500.5112329609.380.500246

9101.560.5102339648.440.499247

9140.630.5092349687.500.498248

9179.690.5082359726.560.497249

9218.750.5082369765.630.496250

9257.810.5072379804.690.496251

9296.880.5062389843.750.495252

結果分析：由于室溫條件下實測數(shù)字電位器的最大阻值（送往寄存器的值

為255時）為9.1K歐姆，若影響較大則所以需要修正，然后進行測量，發(fā)現(xiàn)誤

差不大，在+-5%以內。我們以電流值用電流表進行測量，由于精度電表內阻較

大因而其實際精確值無法測量，所以我們只能根據(jù)范圍估計其誤差，都在5%以

內。

4.2功率-效率測量（室溫條件下）

UinIinPinUoutIoutPout效率n

240.215.048.110.4944.006340.794909

23.950.286.7068.0070.514.083570.608943

23.90.358.3657.9040.75.53280.661423

23.850.4210.0177.890.97.1010.708895

23.80.4911.6627.8761.18.66360.742891

23.80.5613.3287.8621.310.22060.766852

23.750.6314.96257.8481.511.7720.786767

23.750.716.6257.8341.713.31780.801071

23.70.7718.2497.821.914.8580.814182

23.70.8219.4347.8061.9915.533940.799318

23.650.8720.57557.7922.0515.97360.776341

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5結論路由器連不上

最終，回顧這次電子設計，該系統(tǒng)主要的結構設計、軟件設計、硬件設計

和原器件的選擇都有效保證了實驗最終的精度和帶載能力。硬件設計上，該系

統(tǒng)采用了兩塊具備自調整功能的開關電源，因此把相當大的工作量交給硬件來

處理，這樣大大提高了系統(tǒng)的響應速度，并且兩塊開關電源板的效率都很高，

最終保證了最終的系統(tǒng)效率。在結構上采用了恒流源和恒壓遠的模式，清晰明

了，控制簡單，易實現(xiàn)較高精度。在原器件的選擇上，選用了小信號放大能力

很強的Max4172，有效地保證了系統(tǒng)的精度，與數(shù)字電位器搭配的電阻經(jīng)過

excel多組數(shù)據(jù)的擬合，最終實現(xiàn)了較高的精度。由于該系統(tǒng)架構設計合理，

功能好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題目要求的各項指標。

參考文獻：

《開關電源并聯(lián)均流技術》北京電子信息大學路秋生張艷杰(北京100031)；

《模擬電子線路基礎》，吳運昌著，廣州：華南理工大學出版社，2004年；

《數(shù)字電子技術基礎》，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年；

《數(shù)據(jù)結構與算法》，張曉麗等著，北京：機械工業(yè)出版社，2002年；

《單片機原理及應用》，李建忠著，西安：西安電子科技大學，2002年；

附錄：

附1：元器件明細表：

1、LM2576

2、LM2596

3、ATMEGA88

4、AD7887

5、HD7279

6、數(shù)碼管

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附2：儀器設備清單

1、低頻信號發(fā)生器

2、數(shù)字萬用表

3、數(shù)字示波器

4、穩(wěn)壓電源