基于ARM9的BUCK型开关电源的设计

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近年来,随着经济的发展,计算机、通讯等行业对电源产品的需求不断增长,电源相关技术的研究已成为国内外功率电子学领域中的一大热点。选取体积小、重量轻、稳定可靠的开关电源作为课题,不仅具有理论意义,同时也有很大的经济效益和社会效益。实际应用中,单台直流稳定电源的输出电压、电流等参数往往不能满足要求,通常采用模块化的方法,以串联或并联的方式,实现扩展输出电压、输出电流等功能。电源并联均流技术,被专门设计用来保证电流应力和热应力在各并联运行电源模块间均匀分配,作为实现大功率电源系统的关键性技术,对提高电源系统的工作可靠性有着非常重要的意义。目前主要由高性能数字处理器芯片直接控制电源,为提高电源系统的稳压精度、动态性能、集成化和智能化等目标,越来越多的电源厂商开始采用ARM技术。现阶段,利用嵌入式Web技术的B/S模式设计系统是嵌入式远程监控的研究热点。本论文研究的主要内容是采用BUCK型DC/DC模块设计开关电源主模块,将基于ARM9的数字化PID调节控制算法和硬件闭环控制相结合,共同控制电流分配,并设计了开关电源的监控模块。论文对系统方案和电路进行了较为具体的设计,并通过仿真及测试取得了预期结果。测试证明该方案能够适合本行业时代发展的步伐,使系统电路更简洁,精度更高,通用性更强。同时,该方案也可应用于相关领域。本论文首先分析了国内外开关电源发展的现状,以及电源模块并联均流技术的必要性,然后介绍了开关电源数字控制技术和远程监控系统。本论文的设计方案是采用DC/DC电源转换芯片来设计电源主模块,将人机界面常用的直流电压转换为系统所需电压。通过PID算法和硬件闭环反馈共同控制电流输出。电流反馈信号来自两并联电源模块的电流取样,电压反馈信号来自主回路的电压采样。再将这三个信号分别送至ARM9芯片S3C2440A的ADC,经处理后,送至DAC转换芯片,将控制信号转换为电压信号,送至调节器的同相端,用来实现闭环控制。同时,用来保证系统的稳定性及实现系统的过流过压保护、电流和电压值的显示。电压、电流的给定信号由主控芯片预设。再次,文章对各个模块从理论和实际两方面都做了仔细的分析和设计,并给出了具体的电路图,同时写出了软件流程图及设计中应注意的事项。整个系统由TX2440A开发板和DC/DC电源转换模块及电流分配控制电路模块组成。由于整个系统是闭环控制系统,要求采样速度相当高,本系统直接选用TX2440A的ADC转换器,TX2440A开发板主要完成反馈电流信号、反馈电压信号的采样,DC/DC电源转换模块直流电压转换。电流分配控制电路模块不但完成两路电源模块均流输出,而且也可实现电流按控制比例输出。监控模块完成对系统的远程监控,为便于对数据进行操作和管理,加强监控系统的安全性,采用了嵌入式数据库SQLite。最后,对所设计电源进行了仿真和实际输出电流测试,得出了预期结论。同时也提出了一些需要改进的地方。在当前对产品要求体积小、智能化、精度高、稳定性高和效率高等前提条件下,数字化开关电源有着广阔的发展空间。本系统基本达到了设计要求。但对于高精度数字化开关电源,系统还有值得改进的地方,比如改进主控制器,提高参考电压的精度,提高采样器件的精度等,都可进一步提高系统精度。本系统涉及电子、通信和测控等技术领域,将数字PID调节算法和电力电子技术、通信技术等有机地结合了起来。所提供的设计方案不仅可以用在电源控制器上,也可以用在其他相关领域。
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