大学生电子设计大赛

.

.

题目名称：开关电源模块并联供电系统（A

题）

摘要

开关电源模块并联供电系统是采用8位Atmega88的开关电源，主电路采

用LM2576和LM2596作为两块并联的开关电源。LM2576作为恒压源，LM2596作

为恒流源。该两块开关电源保证系统的效率，电流电压调整率和输出精度要

求。系统具有限流保护功能，HD7279键盘输入输出等多种功能。该系统主要采

用硬件反馈调节，调整能力强，使单片机负载小。

本系统功能完善，在支路在0.5-2A输出范围内，干路电流输出范围使1-

4A其分压比由外界输入。由AD采用，读出干路电流，经数字电位器调整恒流

源工作状态，使其自调整实现固定分压比，并且电流精度满足在百分之五以

内。关机或过流保护收后，具有可以记忆参数、自恢复功能。

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.

.

.

1方案论证与比较......................................................................................................3

1.1系统方案论证.....................................................爱抚的近义词 ................错误!未定义书签。

1.2过流保护方案论证.............................................................................................5

2系统设计..................................................................................................................6

2.1总体设计.............................................................................................................6

2.2单元电路设计.....................................................................................................7

2.2.1数字电位器电路设计...................................................................................7

2.2.2AD转换电路设计........................................................................................8

2.2.3恒流部分电路设计.....................................................................................10

2.2.4恒压部分电路设计.....................................................................................12

3软件设计................................................................................................................13

4系统测试................................................................................................................15

5结论........................................................................................................................17

参考文献：..................................................................................................................17

附录：..........................................................................................................................17

附1：元器件明细表：...........................................................................................17

附2：仪器设备清单...............................................................................................17

附3：电路图图纸...................................................................................................17

.

.

1方案论证与比较

1.1系统方案选择

题目分析：

根据题目要求，负载端电压为8V，允许误差为0.4V。题目要求两个支路

电流比可调，即两个开关电源的内阻可调。毛血旺的家常做法材料 所以两种基本方案：直接改变礼仪的名言 开关

电源内阻；通过调整开关电源输出电压，间接改变内阻。要求效率要大于

60%，所以要选用大于60%的开关电源并联是可行的。电源应该具有掉电保护功

能，可以用EEPROM来记忆系统重要参数。系统还应该具有掉电保护功能，可以

通过MCU控制LM2596和LM2576的ON/OFF管脚来实现对电路的过流保护。

方案选择:

方案一、

该系统首先对通过负载的电流和负载两端的电压进行采样返回到MCU，

计算出当前负载，然后根据已知的分流比，计算出和。单片机通过对开关板

电压的采样稳定住两个开关电源的输出。然后计算出两个开关电源串联的可变

电阻的阻值的大小。通过MCU改变可变电阻的大小。

方案分析：其中，根据题目要求，通过可变电阻的电流要0.5-2A，可变电阻要

是大功率电阻。而实际中，数字电位器并不能承受大电流。所以不能采用数字

电位器。另外一种方法是通过继电器控制一些列的大功率电阻的导通和关闭。

这种方案涉及的电路的设计比较少，虽然简单，实际中也没有采用。

.

.

方案二、

该系统采用两块开关电源，在其输出端加保护电阻。由MCU检测负载两

端电压和电流，计算出当前负载，然后计算当负载两端为8V时的，通过负载应

该为多大电流。然后根据输入的分压比，计算两个支路应该输出的电流。然后

根据保护电阻的阻值，确定损失在保护电阻的电压。最后通过单片机控制开关

电源的电压输出。其中，对开关电源的输出采用PID控制技术。

方案分析：该电路灵活性比较好。能满足题目的要求，甚至，可以任意更改需

要稳定的电压值（本题中为8V）。但是该电路控制起来非常复杂，总共四路采

样，三路PID。主控制芯片为ATmega88，处理能力很可能会满足不了在规定时

间内稳定的条件。所以没有采用该方案。

方案三、

该系统采用开关恒流源和开关恒压源的方案。单片机对主干路和恒流源

支路进行两路电流采样。该系统采用具有自调整功能的开关电源构建恒流源和

恒压源。其中，恒压源负责稳定输出电压，由单片机控制恒流源的电流，由恒

.

.

压源补充剩下的电流。这样，即保证了恒压输出的要求，由恒流源保证了分流

比。

方案分析：该方案简单可行，单片机负载小，电路多采用硬件自调整，因而具

有很好的可行性。由单片机控制恒流源输出也更具有精准性和可调整性。

1.2过流保护方案选择

方案一：

利用电磁继电器作为开关，控制总电路通断，当电流值超过4.5A时，程序

控制继电器关断，实现过流保护。

方案分析：

此方案合理，但是需要另加电磁继电器，对功率有一定损耗，也增加了硬

件成本，虽然可行，但是并不最优。

方案二：

直接利用lM2596-adj和LM2576-ADJ的on/off端，实现对电路的控

制。当电流超过4.5A时，on/off端拉高，芯片停止工作，等待，单片机电流

检测点降至2.0以下时，芯片继续工作。

方案分析：

此方案实现简单，无需外加硬件，功率损耗小，但是，两芯片同时关断

后，单片机无法正常供电，无法实现自动恢复。

方案三：

利用LM2596和LM2576的on/off端，通过MCU，控制引脚高低电平，实

现过流保护，单片机通过一个单独的LM2596-5供电，即使关断开关电源两路

输出，单片机也将正常工作。

方案分析：

此方案硬件上略有增加，但是切断了单片机和开关电源的电器联系，不仅

有利于过流保护，还对整个电路的电气特性有很好的改善作用。故选择这种电

流保护和自动恢复方式。

.

.

2系统设计

2.1总体设计

系统框图如下：

.

.

系统电路图

2.2单元电路设计

2.2.1数字电位器电路设计

MCP41010的内部结构

MCP41010的内部含有：SPI总线接口、一个POT(电位器)。POT内有一个8

b滑刷控制数据寄存器。该电阻最大值可为10kΩ，50k和100kΩ，单位电阻为

量程除以256。题目实际采用的是10KΩ。

MCP41010的控制方式

MCP41010具有SPI总线接口，采用简单的2B指令结构。它的控制方式非

常简单，可以采用SPI总线通信，也可以采用软件模拟SPI总线时序。

MCP41010的指令格式

MCP41010的指令非常简单，由两段组成每段均有一个字节：第一段为命令

字节，第二段为数据。命令字节中第2，3位和6，7位为无效位，不用对其操

作；C1，C0为指令选择位；P1，P0为电位器选择位，由于MCP41010只集成了

.

.

一个电位器，所以P1，P0必须设为01。在MCP41010中，C1，C0为01时为写

数据指令；C1，C0为00或11时为空操作；C1，C0为10对应关闭模式用于

MCP42XXX系列数字电位器。在MCP41010中写命令字节通常为0x11，数据字段

为8b／s数据，可以置滑动端到256个端点中任何一个，因此精度非常高。

MCP41010的指令序列传输

先写命令字节再写数据字节。为数字电位器片选端，只有为低电平时，命

令字和数据字才能进入16位移位寄存器。当出现上升沿时，移位寄存器的值进

人数据寄存器，从而改变了电位器阻值。SCK为时钟线，数据在SCK的上升沿

进入SI数据线。器件会在上升沿时自动监测低电平时SCK的脉冲数，也就是上

升沿的个数，只有时钟数为16的倍数时，命令才能执行，否则命令失效。一个

完整的MCP41010写时序包括以下几个部分：

(1)起始位。以为低电平，SCK出现上升沿为起始标志。

(2)传送MCP41010的命令字段。

(3)传送8b的数据字段。

(4)停止位。以SCK为低电平，CS出现上升沿为SPI总线传输结束标志。

【计算公式：】

Command为0x11时选用10K欧姆范围，PB0有效。

理论输送BYTE理=电阻值R*(255/10)；

但是实测数字电位学雷锋心得体会 器输出范围不到10K，仅为9.3K欧姆，因而修正后得到：

实际输送BYTE实=电阻值R*(255/9.3)；

.

.

2.2.2AD转换及控制模块电路设计

【电路图：】

先将小电阻采得的小电压经MAX4172放大，再用外部12位AD芯片AD7887

进行采样，将转换的数据送mega8进行处理。

MAX4172概述：

MAX4172是MAX系列电流检测放大器芯片中的一款低成本、高精度、高边电

流检测放大器。

MAX4172通过一个外接测流电阻R，来检测负载电流，改变测流电阻的阻值

即可对不同负载

电流范围进行一个大范围的输出电压和电流。

其最终输出电流公式：

I_out=G_m*I_load*R_n

输出电压公式：

V_out=G_m*R_n*R_out*I_load

其中，Vout为所要求取得输出电压，Iload为需检测的负载电流，Rn

为测流电阻，Rout为电压调整电阻，Gm为MAX4172的跨导，其值为10毫安每

伏。

1．测流电阻R_n的选取：

.

.

测流电阻R_n的选取有两个方面的含义：一方面是指R_n阻值的

选取,另一方面是指R_n采取哪种方法实现。

测流电阻R_n阻值的选取主要基于以下几个原则：一电压损失。高

R_n阻值将会使电源电压降低。为了使电压损失最小,需选用阻值尽量小

的R_n。二精确性：高R_n阻值可使较低的电流被更精确地测量。这

是因为当检测电压较大时偏差就变得不奋斗格言经典短句 显著。为了达到最好的性能,可选取

R_n阻值为满刻度。检测电流时能提供检测电压接近100mV（满刻度检测电

压的典型值）的阻值,即R_n≤100mV/I_load。三、效率和功率耗损。当

电流较高水平时,测流电阻保安员管理制度 +,−],−上的功率损失将比较显著,选择电阻时需

要考虑这个问题,该电阻的额定功率损耗也必须考虑。同时,当该电阻由于功率

较高温度升高时,R_n的阻值也

会产生温度漂移。

在选取测流电阻的阻值时,以上的三个问题需要综合考虑,阻值过高或过

低都不利流的检测。最终,根据以上讨论和系统需要,本电路选取阻值为干路

上0.02欧，恒流支路上为0.04欧的测流电阻。

2.电压调整电阻Rout的选取：

电压调整电阻Rout的值确定了满刻度输出电压范围，而由要求的满刻

度输出电压必须小于等于芯片电源电压输入减1.2V，故选择MAX4172干路上接

+5V电，支路上接+24V电。

【计算公式：】

MAX4172外设电路非常简单。其实际上为一恒流源，所以在OUT端接一个下拉

电阻，进而得到其放大倍数。其关系如下：

Vout=Vn*R/100

其中Vn为Rs+和Rs-端输入的电压差

采样芯片计算公式为

Data=Vref*Vin/4096

其中Vin为要采样的电压

.

.

2.2.3恒流部分模块设计

【电路图：】

【计算公式：】

硬件PID过程：

电流I2经采样后转为小电压:

Vi2=V2_POUT—V2_OUT，

经放大得:

I_CH2=Vi2*放大倍数B；

在经过跟随器LM324AD（起隔离作用）得：

I_FB=I_CH2；

.

.

反馈至数字电位器经分压得Vref实，然后芯片自调节使其不断逼近Vref=

1.23伏特。

根据其调整关系，即Vfb=Vref，建立起恒流源输出电流和数字电位器的关系，

推到过程如下：

设恒流源输出电流为I，采样电阻为R，叉车管理制度及操作规程 max4172放大倍数为，数字电位器阻

值为R2，其分压电阻阻值为R1。

那么经过放大后可得

Vout=I*R*

经过分压电阻分压后得到的反馈电压为

Vfb=（1+）*Vout

反馈电压等于芯片内部基准源。

Vout=Vfb

联立公式，反解电流I得到

I=Vref**（1+）

在实际中，该电路采用了放大100倍，采样电阻为0.04Ω，R1=6000Ω

总结得：

I=0.3075*(1+6000/Rs)。

.

.

2.2.4恒压部分模块设计

【电路图：】

恒压源中，反馈电压等于基准源。其公式如下：

Vout=Vref*（1+R2/R1）

此题中R2为10K，R1为1.2K，所以Vout=8V。

.

.

3软件设计

软件流程图如下：

模块初始化

采集母线电流AD_I1

AD_I1范围？

AD_I1<

=1.1

1.1

_I1<=1

.5

2

1<=3.5

AD_I>3

.5

CASE1调节CASE2调节CASE3调节CASE4调节

AD_I>4.5？

过流保护显示

主流程图

.

.

已经得出母线电流范

围，同时确定输入比例k

算得Iref2

算得数字电

位器Rs

Rs转换后经SPI发

送给数字电位器

由模拟SPI发来AD测

得的二进制数值

经过转换成

电流值

显示

AD_I>4.5,

Protectflag=1。

断两路电源

AD_I<1.1A?

Protectfl

ag=0

采集母线电

流

AD_I1AD_I1

范围

NO

YES

Ca子程序流程图过流保护流程图

.

.

4系统测试

4.1数字电位器电位-电流测量【Rs-I】（室温条件下）

电阻/欧

姆

电流/AREG

电阻/欧

姆

电流/AREG

电阻/欧

姆

电流/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

.

.

电阻/欧

姆

电流/AREG

电阻/欧

姆

电流/AREG

8789.060.5172259面对生活 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

结果分析：由于室温条件下实测数字电位器的最大阻值（送往寄存器的值

为255时）为9.1K欧姆，若影响较大则所以需要修正，然后进行测量，发现误

差不大，在+-5%以内。我们以电流值用电流表进行测量，由于精度电表内阻较

大因而其实际精确值无法测量，所以我们只能根据范围估计其误差，都在5%以

内。

4.2功率-效率测量（室温条件下）

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

.

.

5结论路由器连不上

最终，回顾这次电子设计，该系统主要的结构设计、软件设计、硬件设计

和原器件的选择都有效保证了实验最终的精度和带载能力。硬件设计上，该系

统采用了两块具备自调整功能的开关电源，因此把相当大的工作量交给硬件来

处理，这样大大提高了系统的响应速度，并且两块开关电源板的效率都很高，

最终保证了最终的系统效率。在结构上采用了恒流源和恒压远的模式，清晰明

了，控制简单，易实现较高精度。在原器件的选择上，选用了小信号放大能力

很强的Max4172，有效地保证了系统的精度，与数字电位器搭配的电阻经过

excel多组数据的拟合，最终实现了较高的精度。由于该系统架构设计合理，

功能好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。

参考文献：

《开关电源并联均流技术》北京电子信息大学路秋生张艳杰(北京100031)；

《模拟电子线路基础》，吴运昌著，广州：华南理工大学出版社，2004年；

《数字电子技术基础》，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年；

《数据结构与算法》，张晓丽等著，北京：机械工业出版社，2002年；

《单片机原理及应用》，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年；

附录：

附1：元器件明细表：

1、LM2576

2、LM2596

3、ATMEGA88

4、AD7887

5、HD7279

6、数码管

.

.

附2：仪器设备清单

1、低频信号发生器

2、数字万用表

3、数字示波器

4、稳压电源