基于C51双电源供电系统设计

1引言

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源[1]，更促进了开关电源技术的迅速发展。本文设计双路并联电流可调开关电源，可更好的满足以上场合应用需求，为开关电源提供了广阔的发展空间，对开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

2系统总体方案设计

2.1 DC/DC变换器稳压方法的选择

DC/DC变换器的稳压方法有两种方案：

（1）利用PWM控制IGBT[2]的关断降低输出电压的大小，电路较复杂；

（2）采用LM2596芯片进行电压转换。

由于LM2596是3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。因此本方案选择（2）。

2.2  5V电压变换的实现

采用芯片MC34063，该芯片可将40V以下的电压转换成5V的电压，输出电流能达到1.5A，满足单片机和检测电路的供电要求。

2.3 电流电压检测

2.3.1电流检测方案的选择

电流检测有以下两种方案可选择。

（1）采用霍尔电流传感器

采用霍尔传感器测量直流电流是切实可行的，但是霍尔传感器在测量小电流时存在一定的误差，精度不高。

（2）采样康铜丝计算测量电阻

系统要求电流源输出电流范围为20mA~2000mA。当输出电流为2000mA时，若取采样电阻为0.5Ω，则采样电阻上产生的功率为2W，这将导致采样电阻发热，电阻阻值发生改变，使得电流给定值与实测值之间产生很大误差。康铜丝的电阻温度系数比较小，因此系统选用康铜丝作为采样电阻，用多根较粗的康铜丝并联，同时用风扇给电阻降温，以降低温漂，保持采样电阻阻值恒定。本方案选择（2）。

2.3.2电压检测方案选择

电压检测有以下两种方案可选择。

（1）采用霍尔电压传感器

采用霍尔电压传感器，电流太小时要求传感器内部线圈较多，而且精度不高，受基准电压的限制无法测量高压。

（2）采用分压法测电压

采用分压法时，精度满足，电路简单。本方案选择（2）。

2.4 均流方法

均流方法有以下两种方案可选择。

（1）采用专用的均流芯片UC3902。

（2）采用MOSFET进行PWM斩流。

采用专门的芯片时，只能进行均流，不能进行后面的电流分配。采用MOSFET进行PWM斩流，即能满足均流要求，又能满足后面的电流分配要求，且电路简单，成本低，功耗低。所以选择方案（2）。

2.5 过流保护

过流保护有以下两种方案可选择。

（1）采用自恢复保险丝。

（2）单片机监控，继电器控制通断。

采用自恢复保险丝时，只能开断固定电流值。采用单片机控制继电器时，开以通断比较大范围的电流值。所以选择方案（2）。

2.6 理论分析与计算

2.6.1 DC/DC电压变换计算

由斩波电压计算公式（1）得到电阻R2的计算公式（2）。

（1）

（2）

基准电压为3.3V，取R1为430Ω，则R2为610Ω，为了更精确反馈，我们选用了10kΩ可调变阻器。

2.6.2 电流分配计算

电流分配是按电流的占空比来计算的。当改变负载变阻值总的电流达到1A时，电流的占空比为1:1，电源1和电源2的电流比符合1:1；当改变负载变阻值检测到电流为1.5A时，电源1和电源2电流的占空比为1:2；当改变负载变阻值电流值为1.5A-3.5A时，占空比设为1:4，电源1和电源2的电流比符合1:4；当改变负载变阻值电流为4A时，占空比设为1:1，电源1和电源2的电流比符合1:1。

3 硬件电路设计

3.1 DC/DC电路

输入+24V直流电，经芯片2片LM2596使电压变为稳定的双路+8V直流电压，电路如图1所示。

图1  24V转8V电路

3.2  24V/ 5V电路

该电路可将+24V电压转换成+5V电压，给单片机和测量模块供电，如图2所示。

图2  24V/5V电路

3.3  PWM斩波电路

通过控制单片机输出PWM[3]的占空比控制电流的输出量，达到控制电流的目的，如图3所示。

图3 PWM斩波电路

3.4 单片机电路

该电路为主控电路，进行信号的处理，如图4所示。

图4 单片机最小系统电路

3.5 显示电路

该电路能进行相关信息的显示，对整个电路的功率消耗及运行情况进行显示，如图5所示。

图5 显示电路

3.6 电压检测电路

通过分压法进行电压检测，如图6所示。

图6 电压检测电路

3.7 电流检测

通过康铜丝两端电压测电路电流，如图7所示。

图7 电流检测电路

4 软件实现流程

通过单片机输出PWM波形改变电流输出[4]，是指按一定比例显示。调节电流有两种方式，一种是自动调节根据一定负载两电源输出电流为1:1和1:1.5，另一种调节方式是通过按键手动调节电流输出比例（此调节优先级高于自动方式）图8。

图8 程序控制时序

5电路性能参数测试结果

电路性能参数测试结果列于以下各表。

表1电源输出电压

表2供电系统的效率

表3 电流之和为I=1.0A 且按I:I =1:1模式自动分配电流

表4 电流之和为I=1.5A 且按I:I = 1:2模式自动分配电流

表5 电流可在（0.5~2.0）A范围内按指定的比例自动分配

表6输出电流之和为I =4.0A且按 I :I =1:1 模式自动分配电流

6结语

本文设计了一个双电源供电系统，每一路输出稳定电压，电流可以通过PWM和PID控制实现按相应比例平滑可调，输出效率高于80%。实现了DC/DC变化的高效传输[5]，通过对电压电流的检测用PWM和PID闭环控制实现了电流的均流控制且效果稳定，实用性强有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 陈大钦编.电子技术基础实验(第二版)[M].湖北:机械工业出版社.2001

[2] 阎石主编.数字电子技术基础（第五版）[M].北京:高等教育出版社.2005

[3] 张俊谟.单片机中级教程原理与应用. [M].2008.6.

[4] 郭惠.吴迅编著.单片机C语言程序设计完全自学手册.电子工业出版社.2008

[5] 康华光.邹寿彬编.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京: 高等教育出版社.2005■