开关电源模块并联供电系统的设计.docx

资源描述

开关电源模块并联供电系统的设计.docx

《开关电源模块并联供电系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源模块并联供电系统的设计.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

开关电源模块并联供电系统的设计.docx

开关电源模块并联供电系统的设计

钟小军

（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业，2008级082班，陕西汉中723003）

指导教师：

龙光利

[摘要]为了将两个开关电源模块并联起来供电，设计了一种开关电源模块并联供电系统，它以LM2596开关调节器为核心组成开关电源模块，LM324集成运放组成电流反馈网络，以LM7812和LM7805构成辅助供电模块。

在Proteus环境下进行硬件仿真，通过后将有关元器件焊接在PCB板上，用多个2Ω/10W的水泥电阻模拟负载，上电，输出电流在4A时输出电压在8V左右，可调节两个开关电源模块使它们输出电流之比为1:

1、1:

2和其它比例，转换效率可达60%以上。

[关键词]开关电源；并联；电流；效率

Designofswitchingpowersupplysysteminparallel

ZhongXiaojun

（Grade08,Class2,MajorofElectronicandInformationEngineering,SchoolOfPhysicsandTelecommunicatonsEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi）

Tutor:

LongGuangli

Abstract:

Aswitchingpowersupplysysteminparallelhasbeendesignedforputtwoswitchingpowersupplyworkinparallel.ThedesignwithLM2596switchingregulatorasthecorecomponentsconstituteswitchingpowersupplymodule,withLM324integratedoperationalamplifierconstitutecurrentfeedbacknetwork,withLM7812andLM7805constituteauxiliarypowersupplymodule.UsingProteusenvironmenttosimulationhardware.Aftersuccessfullysimulation,relatedcomponentsbeweldedinPCBboard,imitatedloadwithsome2Ω/10Wresistancesandturningonpowerthenoutputvoltageisabout8Vwhenoutputcurrentis4A.Twoswitchingpowersupplymodulecanbeajustedtomakeproportionoftheiroutputcurrentto1:

1、1:

2andsoon.Theefficiencyofthesystemcouldbeupto60%.

Keywords:

switchingpowersupply;parallel;current;efficiency

1绪论

1.1课题研究背景

随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛地应用到计算机系统、工业仪表、航天、军事等领域，涉及到各个行业，各种电子设备对电源的稳定性、功率等各项性能都有了更高的要求。

普通的线性电源以及满足不了需要。

自六十年代第一台开关电源诞生以后，开关稳压电源就以其功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、电路形式灵活多样等优点，迅速在很多应用领域受到青睐[1]。

而中国在1973年才开始这方面的的研究，起步较晚，而且主要在小功率单端变换器方面发展较快。

在开关电源模块并联供电的分布式电源方面的发展与国外有较大的差距。

1.2国内外研究现状

近年来，随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，使通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等方面都取得了长足的进步。

目前，开关电源以高效率、体积小和重量轻的特点别广泛应用于以计算机为主导的各种通信终端设备和大部分的电子设备。

开关电源早已成为当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。

目前市场出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOS-FET制成的500KHz电源虽然已经实用化，但是频率还需要进一步提高。

因此就需要减少开关损耗，需要高速开关元器件，同时需要减，电路中的分布电感、电容或二极管中存储的电荷因高速开关影响而长生的浪涌或噪声。

开关电源的即直流-直流变换器，其原理是通过高频信号控制开关功率器件的导通与断开，再加上相应的滤波、反馈电路实现直流-直流的变换[2]。

自六十年开始，国内外对开关电源的电源越来越热，在各种不同的开关电源拓扑结构上均有研究[3]。

开关电源最基本的类型有串联和并联型[4]。

串联式开关电源属于降压型，而并联式开关电源属于升压型。

开关电源更多详细的拓扑形式有Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、单激式变压器开关电源、正激式变压器开关电源、反激式变压器开关电源、双激式变压器开关电源等[5]。

国内外这些年在开关电源方面的研究中取得了不少成果，解决了不少开关电源设计中的问题。

首先就是开关电源拓扑结构的选择。

这要根据输入输出电压和功率来选择。

比如对于高压输入，大功率输出的开关电源应选用反激式或双激式变压器开关电源结构，这样能使系统达到更高的一个稳定性[6]。

效率一直是电源设计必须考虑的一个问题。

对于以高效率著称的开关电源更要考虑转换效率。

爱德华多·彭佐尼在《200-mA,93%效率的单电感，双输出降压型DC-DC变换器》[7]中，使用自动衬底偏置开关技术减少了P沟道输出功率管的功耗从而设计出93%高效率电源。

在大功率开关电源中提高开关频率也是提高效率的一种方式[8]。

以往很多人都是是采用提高频率这一方法来提高效率。

要在输出4A电流的开关电源中提高效率不仅仅要降低开关功率的损耗，还有续流二极管损耗、电感损耗都要考虑进去。

采用高效率续流二极管或者用MOS管代替续流二极管，用合适的磁芯制作合适的电感是提高Buck型变换器效率的有效方法。

还有就是电磁兼容EMC和EMI也是开关电源设计考虑的重点。

EMC性能的好坏直接影响电源的性能，甚至会影响供电对象的正常工作。

水冰在《开关电源的EMC设计》中提出了EMC设计的几种有效方法。

她主要从屏蔽、滤波、PCB设计等方面的注意事项方面着手提高开关电源的电磁兼容特性[9]。

她那里讲述的方法可以说非常好，那样做可以做到很好的电磁兼容性。

EMC的兼容设计可以从滤波和屏蔽两种方式入手。

滤波主要是滤波电容参数的选择要正确，屏蔽是提高EMC性能主要手段，布线布局敏感信号用地线屏蔽，大电流信号和小电流弱信号用地线隔离。

这些是经济实用的电磁兼容方法。

开关电源的EMI的设计和EMC差不多，讲究的是滤波和屏蔽方式。

冯艳斌在《开关电源EMI滤波器设计》[10]中提出了一种二阶无源EMI滤波器，并且用Pspice软件对其进行了仿真。

这里可以采用最简单的隔离法实现EMI设计，在布线的时候高频、大电流部分用地包围，并且在电路板的外围全部用地隔离，这样大部分的电磁辐射都会耦合到地线流入到大地。

最后的并联均流就是并联供电系统的重点问题了。

在这之前有不少人都对开关电源并联均流做过相关研究，并提出了不少有效方法，解决了并联均流的一些问题。

朱文武在《Buck变换器的非线性现象及并联同步均流研究》[11]中建立混沌力学离散模型用滑模控制方式控制多个并联模块的输出特性一致，解决了非线性问题，实现了均流功能。

李若思在《并联Buck变换器均流电感接入方式的仿真研究中》[12]采用在并联模块中加入电感的方法达到均流目的。

该方法从根源入手，通过加入电感改变由于开关管导通时间不同而造成输出特性不一致的问题，能够实现比较精确的均流。

综合考虑到工艺水平，硬件条件以及动态均流等，在并联均流方面还是应该考虑使用软件强迫动态均流或者通过硬件反馈模块改变输出达到动态均流。

1.3研究的目的和意义

随着电子技术的发展，对电源的稳定性、效率和体积都有了更高的要求，开关电源以其优越的特性受到欢迎，但是受构成开关电源半导体功率器件、磁性材料等自身性能的影响，传统开关电源的功率还是有限的，而各种电子装置对电源功率的要求越来越高，因此迫切需要新的技术解决这个问题。

将多个开关电源并联运行，采用电源均流技术能够将负载平均地分配给各个电源模块，大大地提高了电源的功率。

特别是对于体系庞大的计算机系统，需要小电压，大功率，高稳定性、体积小的电源，只有开关电源并联供电才是最合适的。

当需要大功率输出时，可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成“积木式”智能化大功率供电电源。

这样做既大大的减轻了对大功率元器件和装置的研制压力，同时采用开关电源并联均流技术使得每个变换器只需处理较小功率，降低了电源的负荷，提高了系统的稳定性和使用寿命，还可以将电源的开关频率提高到一个新的高度，从而提高了模块的功率，使电源的重量、体积降下来。

因此开关电源并联供电技术的优越性和重要性是很明显的。

1.4开关电源模块并联供电系统的研究思路

这里设计了一种开关电源模块并联供电系统，整个设计过程以理论计算为基础，配合使用Proteus仿真验证设计的各个模块电路，最后分模块制作并测试然后就是总体系统的制作并进行系统性能的测试。

设计和制作过程中主要使用了AltiumDesigner电子设计软件、Proteus电路仿真软件，数字直流电源和数字万用表等工具。

论文分为四个部分：

1绪论部分。

主要讲了课题的研究背景，国内外的研究现状，研究的目的和意义以及这次设计的研究思路。

2方案的论证和选择。

主要就开关电源模块并联供电系统的设计提出了几种可行的方案，并分析它们之间的优缺点，最后选择一种最合适的设计方案。

3电路的设计。

主要设计了各个模块的电路和计算具体的参数。

4电路的Proteus仿真和制作。

主要在Proteus环境下对设计的各个模块电路进行仿真，验证设计的正确性，然后各个模块的实物制作和测试，最终完成系统的总体焊接制作并且测试其性能。

2方案的论证和选择

开关电源模块并联供电系统的方案选择主要针对控制方式的选择和DC-DC部分拓扑结构的选择。

控制方式有单片机控制、DSP控制和硬件反馈网络控制。

DC-DC部分是Buck结构，主要有同步Buck电路和异步Buck电路。

就此提出了三种方案。

2.1方案一：

基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计

基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计框图见图2.1所示。

图2.1基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计框图

核心控制部件为单片机，DC-DC部分是内部集成有开关器件的异步DC-DC电压调节器，输出信息采集主要由模数转换完成。

其工作原理为：

24V电压输入异步DC-DC调节器中，异步DC-DC调节器输出经过电容电感滤波之后输出。

电流采样模块采集每个并联支路的电流并由模数转换器转换成数字数据传送到单片机，输出电压也经过采样后通过模数转换器件转换并传送到单片机。

单片机接收到输出电压电流信息后经过程序进行一系列的运算处理，然后控制数字电位计的阻值大小。

异步DC-DC电压调节器的反馈是输出电压经过数字电位计分压后输入的，通过单片机控制数字电位计的大小可以改变电压反馈的分压比，从而改变输出。

程序处理过程为：

检测到输出电压小于或大于8V，同时单片机控制增大两个数字电位计的阻值，同时增大或减小两路的输出。

当检测到某一支路电流大于设定比例电流是，则单片机控制减小该支路数字电位计的阻值，同时增大另外一支路数字电位计的阻值。

2.2方案二：

基于DSP控制开关电源模块并联供电系统的设计

基于DSP控制开关电源模块并联供电系统的设计框图如图2.2所示。

用DSP作为核心控制器件，用同步PWM控制器、开关功率管输出滤波电感电容组成同步BuckDC-DC模块，电压电流采样电路加上数模转换器组成输出电压电流信号采集模块。

其工作原理为：

24V直流电压输入开关功率管，由DSP控制同步PWM控制器输出两个频率一致，相位相反的占空比可调方波信号，由这两组PWM信号分别控制开关功率管的导通和断开，由导通和断开的时间比控制输出电压。

接地的那一个开关管是替代异步Buck电路中续流二极管的作用，当主功率管断开时，电感释放能量给给负载供电，这时下面那个开关管导通构成电流回路。

两个电流采样电路分别对每个同步BuckDC-DC支路电流采样，然后由模数转换器转换成数字信号送到DSP处理。

再通过一个电压采样电路采集输出电压信号再转换成数字量后送到单片机处理。

DSP接收到输出电流电压信号后经过一系列的运算处理后控制两个支路的同步PWM控制器调节输出方波信号的占空比从而改变各个DC-DC支路的输出。

辅助供电模块负责给各个模块电路供电和提供标准参考电压。

程序调节的过程和上一个方案基本一样，不同的地方是这里是直接控制同步BuckPWM控制器改变输出方波占空比从而调节输出电压的。

图2.2基于DSP控制开关电源模块并联供电系统的设计框图

2.3方案三：

基于差分控制开关电源模块并联供电系统的设计

基于差分控制开关电源模块并联供电系统的设计方案如图2.3所示。

图2.3基于差分控制开关电源模块并联供电系统的设计框图

核心部分是异步BuckDC-DC电压调节器。

调节器内部集成有PWM控制器和开关功率管。

用它设计DC-DC模块只需要4个外接元件。

两个DC-DC模块一个作为恒流源，一个作为恒压源。

恒流源主要按比例控制输出电流。

，恒压源主要讲输出电压稳定在8V。

然后就是差分电路组成的硬件反馈网络是核心控制模块，它主要控制两个开关电压模块输出电流的比例，以一个自恢复保险管完成过流保护的设计。

辅助供电对各个模块电路提供电源和对差分运算电路提供一个参考电压。

工作原理是：

24V直流电源输入到两个DC-DC模块，1模块输出，经过采样电阻将电压输出，同时在电压输出端直接将输出电压反馈到DC-DC模块，如果输出不是8V则在内部调节占空比，改变输出电压。

2模块输出则直接通过一采样电阻输出。

每个模块支路输出电流通过采样电阻转换成电压之后，经差分放大器放大，然后将这两个放大后的信号输入到差分运算电路，求出两支路流过电流的差，将这个差值偏置一个电压后反馈到恒流源DC-DC模块中，从而改变恒流源的输出。

输入模块可以是拨码开关，通过它控制差分放大1的放大倍数，从而改变模块分配电流比例。

当恒流源模块输出电流小于设定的比例时，差分输出的值是小于参考值的，从而通过内部增大占空比提高恒流源的输出，这样一直到输出电流和设定的比例一样为止。

2.4方案的选择

方案一中基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计，采用异步DC-DC拓扑结构，硬件电路简单。

由单片机数字控制，操作比较人性化。

输出电压的稳定和并联模块电流的分配实现软件控制，简单易实现。

但是软件控制有个缺点就是调节速度慢，响应延迟大。

另外输出电压和电流的分配精度受数字电位计的位数影响最大，其次就是模数转换器的精度对其也影响很大。

故不采用此方案。

方案二中基于DSP控制开关电源模块并联供电系统，它相对单片机控制开关电压模块并联供电系统的设计方案一个明显的优点就是DSP数据处理的强大，在处理速度和精度上都远远高于单片机，在输出电流电压的精度上大幅度提高了。

因为不需要通过调节数字电位计来间接调节占空比了，现在是受到模数转换器位数的限制，如果采用高分辨率的模数转换器件可以实现比较高精度的控制。

相对于异步BuckDC-DC电路，同步Buck电路用开关管替代了续流二极管，减少了续流二极管的损耗，可以达到80%以上的转换效率。

但是DSP控制带来优越性能的同时，成本也提高了很多。

同步BuckDC-DC变换器每个DC-DC模块要用到两个开关功率管，并且PWM控制器和开关功率管不是集成的，成本上要比较高，并且外部电路连接比较复杂，硬件调试难度提高了。

并且基于DSP控制设计的开关电源供电系统一般用于要求非常高的场合，因此也没有采用这种方案。

该方案一个特点就是恒压源和恒流源并联，将稳压和分流分开来控制，这样调试起来很方便。

DC-DC部分采用的异步Buck电路，具有电路设计简单，外部电路少的特点。

还有就是硬件反馈网络分流的方式无需像软件控制那样需要模数转换，在控制精度上可以有很大的提高。

由于反馈和控制全部都是有硬件电路完成的，所以其调节响应速度快，缺点就是异步Buck电路转换效率不如同步Buck电路，但是最高也能达到80%以上，所以综合考虑成本、性能和设计的方便性，选择此方案。

3电路的设计

3.1DC-DC模块的设计

DC-DC模块采用的是异步降压型电源管理单片集成电路LM2596。

LM2596内部集成有PWM控制器和开关器件，开关频率是150KHz，并且具有频率补偿功能，能够输出3A的电流。

在特定的输入电压和输出负载的情况下输出电压误差可以保证在±4%范围内。

它具有过热保护和限流保护功能，并且使用该芯片的话只需要外接4个元件。

3.1.1DC-DC模块的电路设计

DC-DC模块电路包括两部分：

恒压源和恒流源。

恒压源稳定输出电压在8V,恒流源主要控制两并联模块按比例分配电流。

恒压源电路图如图3.1所示。

图3.1恒压源电路图

其工作原理为：

输入24V直流电压经输入滤波电容C2后输入开关电压调节器LM2596，在芯片内部有150KHz占空比可变方波信号，控制开关三极管的导通与关断，通过2管脚输出。

在内部开关管导通时，Vin给电感储存能量，并且有一部分输出到负载，内部开关管关断时，电感储存的能量通过续流二极管释放到负载。

输出滤波电容C1在充放电过程中可以防止输出电压突变。

由图2.1LM2596内部电路框图可以知道输出电压的采集是通过电阻分压后通过比较器和1.235V标准参考电压比较后控制占空比的变化的。

因此可以在输出电压再串一滑动变阻器接到LM2596的反馈端来提高输出电压。

以此不断采集输出电压并反馈到LM2596内部，从而改变方波信号的占空比，最终稳定输出电压。

恒流源电路图如图3.2所示。

恒流源基本电路和工作原理基本上和恒压源一样。

不同的是恒流源反馈端采集的信号是恒压源和恒流源两个模块输出电流差放大、偏置一定电压后的信号。

恒流的机制是该模块输出电流总保持和恒压源输出电流的一定比例，否则通过误差运算反馈到LM2596里面调节该模块的输出，直到两模块电流之比达到预设值为止。

图3.2恒流源电路图

LM2596内部电路框图见图3.3所示。

图3.3LM2596内部电路框图

3.1.2DC-DC模块的参数计算

首先是电感量的计算。

D为内部方波信号的占空比，

是输出电压,

为二极管正向压降，

是最大输入电压，

是内部开关饱和电压。

（3.1）

由式3.1可计算出输出电压达到稳定是内部方波信号的占空比。

将

=8V，

=0.5V，

=25V,

=1.16V带入上式可得D=0.36。

则开关管导通时间

=2.38us。

再由式3.2可计算出电感电压

=15.84V。

再代入公式3.3算得伏秒数

=37.646V·us

（3.2）

（3.3）

令期望电流纹波率r为0.25，根据L

I方程如式3.4可算得L

I=150.58uH·A

（3.4）

因为

=2.25A，所以代入公式3.5最终算得电感量L=75.29uH。

（3.5）

电感在开关电源电路中启的作用非常大，其参数也很重要。

一般市场卖的成品电感参数都达不到要求，需要订做或者自己绕电感。

电感磁芯截面积太小的话容易饱和，从而导致电感量急剧下降，从而永久性烧坏开关功率器件，并且磁芯截面积过小导致磁通密度摆幅变大，从而大大增加了磁芯损耗，降低电源效率。

电感磁芯一般选择铁氧体磁环，其中蓝绿色环磁芯效果更好。

公式3.6是磁芯损耗公式。

为了保证系统的可靠性和电源的效率，选择了22*10*7的铁氧体绿色环磁芯，其单圈电感量为6.8uH,要绕成75.29uH的电感必须用漆包线绕11圈。

（3.6）

由于每个DC-DC模块输出电流都达到了2.25A，故绕电感的漆包线线径不能太细，不然容易发热，增大功耗，并且导致电感压降太大。

要通过2A的电流，漆包线线径选择1mm的。

接下来是输入电容C4的参数选择。

输入电容重要参数是的耐压值和电流均方根。

耐压值一般要大于输入电压的1.5倍。

在LM2596调节器中，输入电容的电流均方根值大约是二分之一的负载电流。

在设计中，输入电流时24V，故耐压值至少要36V，最大负载电流为2.25A，输入电容的电流均方根值为1.125A，具体电容的选择可以查表得到。

电解电容耐压值、电容值和均方根电流之间的关系见表3.1，最上面一行是电容耐压值，最左边一列是电容电流均方根其余则是电容容量的。

可以选出一个470uf/50V的电解电容。

表3.1电解电容耐压值、电容值和均方根电流之间的关系

10V

20V

30V

40V

50V

60V

70V

80V

200mA

120uf

400mA

270uf

120uf

600mA

470uf

270uf

180uf

120uf

800mA

680uf

470uf

270uf

180uf

120uf

1000mA

680uf

470uf

270uf

180uf

1200mA

680uf

470uf

330uf

270uf

180uf

1400mA

680uf

470uf

330uf

270uf

1600mA

680uf

470uf

270uf

1800mA

680uf

470uf

330uf

2000mA

680uf

470uf

2200

680uf

470uf

输出电容的选择在LM2596的应用电路中也可以用查表的方式快速选择型号。

输出电容应选用82uf-820uf之间的等效电阻小的电解电容或钽电容，耐压值至少要1.5倍的输出电压，为了使更有效地降低输出电压的纹波，甚至需要耐压值更高的电容。

输出电容和前馈电容与输出电压关系如表3.2所示。

查表选出220uf/35V的电解电容。

同样，前馈电容是作为补偿作用，电容的典型值一般在100pf-33nf之

展开阅读全文