1、基于 NMOS 管的高效双 DC/DC 开关电源智能平衡供电系统摘 要：本设计突破传统 PMOS 开关管 DC 方案，采用导通电阻极小（4 毫欧 IRF1404）NMOS 管作为功率开关管，同时续流二极管也采用 NMOS 管，这样极大提升了 DC 转换的效率，一度接近90%。IR2110 芯片悬浮驱动 NMOS 技术在该方案中起到关键作用。开关振荡器采用施密特触发器实现，电路非常简单，该电路完全自主设计。电流平衡控制的关键是精确测量电流，电流检测选择MAX4372 传感器高位测量，从而实现全系统单一共地，使得系统简单可靠。核心智能控制选择 AVR 单片机 ATMEGA8，在充分利用MCU 片内
2、资源上下足了功夫，多通道 ADC 实现电流测量和平衡比例设定输入，PWM 输出微量调节 DC 电压从而实现电流分配，同时还实现 LCD 显示。该系统完全实现了题目要求的各项指标，器件选择恰到好处。关键词：NMOS DC/DC IR2110 MAX4372 平衡供电一、方案设计与论证分析设计题目的各项要求，DC 模块的设计是本题重点，两个 DC 模块输出电流的配比和输出电压的稳定是本题的重点，也是难点。对此，做以下方案的论证与选择。2 4 V 输入D C - D C模块 1电流取样 1负载M C UP W M _ D A CD C - D C模块 2电流取样 2图 1 开关电源系统框图1.1 D
3、C/DC 模块DC/DC 转换器含有升压式和降压式。升压式通常采用 NMOS 功率管作为开关管，因为 NMOS 工作是由于栅极电压高于源极电压，在升压系统中容易实现，如图 2。降压式通常采用 PMOS 功率管作为开关管，因为 PMOS 工作是由于栅压低于源电压, 在降压系统中容易实现，如图 3。分析题目要求，需要降压式 DC/DC 转换器。图 2 升压式简单原理图 图 3 降压式简单原理图 方案一：用 PMOS 管做开关管，搭建降压式 DC/DC 模块供电系统。方案二：采用 LM2596 降压开关型稳压芯片，构建外围电路，通过单片机以及 DA转换构建闭环反馈系统，使输出电压满足题目设定要求。如
4、图 4 所示。inoutref5GNO/FL9680HR图 4 基于 LM2596 的 DC/DC 方案 方案三：通过方案比较，考虑到前两种方案供电系统的效率都不高，选用NMOS管代替方案一中的PMOS管，因为在相同尺寸条件下,IRF3205这种型号的NMOS管的导通电阻大约只有6.5m，而同类型PMOS管中较小的导通电阻也有0.2。NMOS管具有较小的导通电阻，而且技术比PMOS管更成熟,从而提高DC/DC转换的效率，降低功耗。但是如果功率开关管选用NMOS , 由于栅极电压必须高于源极电压才能使NMOS管工作,最小的压差是开启电压V T ，而且NMOS管的源极处于悬浮的状态，所以NMOS
5、的驱动是一个难点。芯片IR2110较好的解决了NMOS管自举驱动的问题，本方案正是采用这种自举驱动电路。1.2 电流分配方案一：由单片机产生 2 路 PWMDA 输出电压分别微调 2 个 DC/DC 模块的输出电压，从而调整两个 DC/DC 模块输出的电流比。方案二：一个 DC/DC 模块由自身模块反馈稳定到 8V，另一个 DC/DC 模块由单片机产生 1 路 PWMDA 输出电压干扰 DC/DC 电路的反馈系统，达到微调其中一个 DC/DC 的输出电压，从而调整两个 DC/DC 模块输出的电流比。通过方案比较，方案二的电路简单，可靠性更高，因此选择方案二。1.3 输出电流方案一：在 2 个
6、DC/DC 电源供电模块中分别串一个采样电阻，选用芯片 OP07 搭建减法器，利用减法器将采样电阻两端的差模电压进行放大一定倍数，则由输出电压、放大倍数和采样电阻的阻值，便可知道流过该支路的电流，如图 6 所示。R30k4GNDVC入578IOUT_mKgin-+refoaPFLEAS图 6 减法器电流采样电路 图 7 INA128 电流采样电路 图 8 ACS712T 电流采样电路方案二：采用仪用放大器 INA128，搭建外围电路，将采样电阻两端的电压输入INA128。电路简单，共模抑制比高。如图 7 所示方案三：采用电流传感器 ACS712T，此传感器可以检测-5A5A 的电流，当没有电流
7、时输出电压为 2.5V，精度为 185 mV/A，利用其输出电压与输入芯片内的电流成正比，不会影响原电路的电路特性，不需要采样电阻，耗电小。如图 8 所示。方案四：采用高边电流检测传感器 MAX4372，电路简单，测试容易，如图 14 所示。为了实现系统尽可能高效率，所以采样电阻要尽可能小，通过实际测试，方案一、方案二功耗大、测试时不是很稳定，方案三在小电流时检测精度不够高，方案四电路简单，检测精度高，低功耗，可靠性好，因此选用方案四。1.4 显示方式比较与选择方案一：使用液晶显示屏显示。液晶显示屏 LCD1602，具有低耗电量、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，清
8、晰度高，抗干扰能力强等特点。方案二：使用传统的数码管显示。数码管具有：低压、对外界环境要求低，易于维护。 此方案控制简单，但显示内容达不到设计要求。比较二者，因为 LCD 显示更逼真形象，在无背光情况下能耗低于数码管，驱动电流小，驱动电路相对数码管简单，字码显示柔和，故拟选择方案一。二、理论分析与计算2.1 DC/DC 变换器稳压方法DC 单元功率核心电路如图 9 所示，该电路基于 IR2110 控制两片 NMOS 管实现开关控制。IR2110 是美国 IR 公司生产的 MOS 驱动器。IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通
9、道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V， ，15V 下静态功耗仅 116mW；输出50V/nsdv/t的电源端（脚 3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围 1020V；逻辑电源电压范围（脚 9）515V，可方便地与 TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达 500kHz；开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；图腾柱输出峰值电流为 2A。MOS 管 Q2 是主功率调整管，Q3 是辅助开关管，Q2，Q3 交替开关，Q2 开通对电感充电，此时 Q3 关闭。Q2 断开，电感继续放电，Q3 导通，实现续流，同时使得 Q2
10、 的 S极接地，同电位的电容 C5 被 12V 电源通过 D1 充电，在下一个开通周期，C5 内储存的电荷被 Q2 源极自举，IR2110 就是利用 C5 储存的电荷给 Q2 栅极提供正偏置电压使其导通。图中 R10，R11，D3，D4 构成慢开快关电路，确保 Q2，Q3 不会同时导通，进一步降低芯片损耗。主功率管要选择导通电阻 Rds 极小的 MOS 管，这样在大电流通过时，在 MOS 管上浪费的电能少，芯片不发热。例如，IRF1404 导通 Rds 为 4m 欧就特别好。132QIRF0L47u/6VCDOBH8MnUPWE_i图 9 DC/DC 变换器稳压电路（1）DC 控制核心单元为占
11、空比可调的振荡信号发生器，这里采用施密特触发器 74HC14做振荡源，电路图如图 10 所示，U3A，R5，C6 构成振荡器，LM358 运放对电源输出电压采样，通过 R6，Q1，D2，R1 调节信号的占空比，实现电源稳压。 Ak.ol图 10 DC/DC 变换器稳压电路（2）DC 开关电源所需基准用 TL431 产生，电路图如图 11 所示。U4LM31RkVC0592.768PWolH图 11 LM431 产生的 2.5V 基准源 图 12 PWM 二阶阻容滤波必须与反向端的电压相等。本设计中让 DC 模块的输出稳定在 8V，即power_8v=8V。公式计算： (R2|R3 为 R2 与
12、 R3 的并联3.2 /5power_8V R7/)3|(2值),则 ，调节 R2|R3 的阻值是 R7 的 2.2 倍，通过反馈调节就可实./7)R|现输出电压为 8V。MCU 智能控制系统对 DC 单元调整控制采用 PWM 方式，配置 PWM 为 10 位模式，控制精度超过系统最高要求。MCU 输出 PWM 经过两级阻容滤波，运放跟随输出的直流电平信号用来微调 DC 电源电压，实现电流平衡控制。电路如图 12 所示。一般场效应管栅极耐压不能超过 24V，电源电压为 24V，这里用 LM317 得到 12V 电供 MOS 管栅极控制用，电路图如图 13 所示。uFintGND入OTS-+AX
13、I图 13 24V 转 12V 电路 图 14 MAX4372 电流采样电路2.2 电流电压检测在 2 个 DC/DC 电源供电模块中分别串一个采样电阻锰铜丝，然后取出采样电阻两端电压分别供给芯片 MAX4372 进行采样，通过实际测量输出电压与采样电流的关系为1.6V/A(此参数与采样电阻有关), 将输出电压进行 AD 转换,根据，)(3.054716.5023mADTVDAT便可计算出电流，如图 14 所示。2.3 均流方法电流的分配原理：由单片机产生 1 路 PWMDA 输出电压，经过 2 阶阻容滤波，输出电压接到如图 10 所示的 LM358 的同相端。假设设定 DC/DC 模块 1
14、与 DC/DC 模块 2 的供电电流之比为 1:2。当通过电流检测模块 1 与模块 2 的供电电流之比小于 1:2，证明 DC/DC 模块 2 的供电电流小于设定值，因此要提高 DC/DC 模块 2 的输出电压，于是通过单片机控制降低 LM358 同相端的电压（微调） ，促使开关管 Q2 导通（如图 9） ，从而使 DC/DC 模块 2 的输出电压略微增加，也就提高了 DC/DC 模块 2 的输出电流。当通过电流检测模块 1 与模块 2 的供电电流之比大于 1:2，证明 DC/DC 模块 2 的供电电流大于设定值，因此要降低 DC/DC 模块 2 的输出电压，于是通过单片机控制升高 LM358
15、 同相端的电压（微调） ，促使开关管 Q2 断开，从而略微降低 DC/DC 模块 2 的输出电压，也就降低了 DC/DC 模块 2 的输出电流。单片机不断地进行电流采样、反馈、调整，使实际输出电流调整到设定值。2.4 过流保护过流保护实现的前提是正确检测电流，软件实时计算总电流，当总电流超过允许最大电流后，MCU 通过 IR2110 的 SD（shutdown）输入将 DC 模块关闭，同时给出报警提示，延时 3 秒再次打开 DC，检测电流，如果电流超过最大值，再关闭，直到电流回到正常。三、软件设计软件设计包括 LCD1602 显示、比较两电流大小、调整 PWM 信号、和过流关闭 DC 模块等内
16、容。四、测试方法与测试结果4.1 测试方法（1）将 2 电流表分别串联在 2 个 DC/DC 模块中，接入负载并在总的输出端串流一个电流表，将输出电压接到示波器的通道 1。（2）给系统供电，按照基本要求和发挥要求进行测量计数。4.2 测试数据4.2.1 基本要求测试表 2 基本要求测试表（1）输出电压 输出电流（总）额定功率输出7.98V 2A输入 输出电压(V) 电流(A) 电压(V) 电流(A) 效率 24 0.3 7.96 0.515 56.94%24 0.5 7.96 1.152 76.42%24 0.7 7.96 1.739 82.40%24 1 7.96 2.6 86.23%24
17、1.3 7.96 3.45 88.02%24 1.5 7.96 3.98 88.00%表 3 基本要求测试表（2）IO 设置比例 DC 模块 1输出电流 DC 模块 2 输出电流 DC1 输出电流误差 DC2 输出电流误 差1A 1:1 0.49 0.51 2% 2%1.5A 1:2 0.51 1 0 04.2.2 发挥部分测量（1）输出电流 1.53.5A 调节，设置比例在 1：0.51：3.5 任意调节表 4 发挥部分测量表（1）输出电流IO(A)设置比例 DC1 电流大小DC2 电流大小DC1 输出电流误差DC2 输出电流误差1:1 0.75 0.75 0 01:3 0.38 1.12
18、1.3% 0.4%1.51:5 0.25 1.24 0 0.8%1:1 1.49 1.49 0.6% 0.6%1:3 0.75 2.29 0 1.7%31:5 0.51 2.52 2% 0.8%（2）输出电流为4.0A，设置电流之比为1:1表5 发挥部分测量表（2）输出电流IO(A) 输出电压(V) DC1输出电流 DC2输出电流DC1输出电流误差DC2输出电流误差4 7.95 2.01 1.98 0.5% 1%（3）输出过流保护和自恢复功能：当输出短路或负载电流超过4.5A，电路进入过流保护，液晶屏显示报警，当短路故障排除后，电路恢复正常。4.3 测试结果分析根据测试结果，电流平衡效果很好，
19、相应时间大约在三秒内。由于电流表的内阻很大,以及采样电阻的消耗功率,使系统输出效率降低。五、总结本设计采用闭环控制系统实现稳定电压、电流分配、过流自保护和恢复等功能，通过精心的方案设计与选择，我们设计的开关电源的性能指标已达到赛题的要求，完成了一个比较完美的作品。设计中选用功耗极小的 NMOS功率管和IR21094浮栅驱动器，提高了系统的效率，整个电路非常精致，当然本设计还有些指标有待于进一步提高。通过本次实验加深了开关电源供的认识，我们收获很大。参考文献【1 】康光华.电子技术基础.模拟部分(第五版)M.北京:高等教育出版社.2006.1【2】彭琦.模拟电路分析基础(第一版)M.湖北:湖北科学技术出版社.2011.7【3】李冬超.一种应用于 DC/DC 转换器的自举电路设计J.2006.11【4】沈文 等.AVR 单片机 C 语言开发入门指导(第一版)M.北京：清华大学出版社.2003.5【5】金春林 等.AVR 系列单片机 C 语言编程与应用实例(第一版)M.北京:清华大学出版社. 2003.11
