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开关电源模块并联供电系统A题论文修改
开关电源模块并联供电系统（A题）
摘要：
系统以STC12C5608AD单片机为控制核心，由LM2576HV-ADJ实现DC/DC功能，采用两个LM2576HV-ADJ模块级联实现2路并联供电，通过STC12C5608AD单片机内部10位高速电压输入型A/D转换器将模拟量电压转化成数字量，并通过10位串行数模转换器TLC5615将数字量转换成模拟量，实现2路输出电流的自动分配的数字化控制系统，同时系统具有输出过流保护功能，且可实现对输入电压、输出电压及输出电流的测量和检测，本供电系统的供电效率可达70.19%。
关键词：
DC/DC变换器，均流方法，过流保护，单片机
1.绪论
随着电力电子技术的发展以及大量电子设备的广泛应用，对直流稳定电源的输出参数要求越来越高，而多个并联运行的大功率电源模块共同为负载提供电能，可以达到输出电压、输出电流、输出功率扩展的目的。
电源并联运行是电源系统的发展方向之一，它具有很多优点。
一是利用小功率的电源模块可以很方便地组合成大功率的电源系统，其容量可以任意扩展；二是可以实现电源系统的冗余设计。
提高电源系统的工作可靠性；三是适用场合不受限制，根据需要组合，使用灵活方便。
负载电流均流控制技术就是对系统中各并联电源的输出电流加以控制，尽可能均分系统输出总电流，确保多台电源可靠并联运行的一种措施。
2.总体方案设计与论证
根据设计任务及要求，采用CPU、DC/DC模块、模数转换器、数模转换器、人机对话接口等模块构成开关电源模块并联供电系统，其系统总体设计方案如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
2.1DC/DC模块方案的选择
方案一、降压模块采用直流斩波电路中的Buck电路，该电路使用一个可控器件（如晶闸管、IGBT），并且包括该器件的控制电路。
方案二、采用LM2576HV-ADJ降压单片开关稳压器芯片及简单的外围电路，它在规定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压可调且负载电流可达到3A。
由于本设计要求两个输出功率均为16W，输出电压为8V的DC/DC模块并联，考虑采用性价比较高的LM2576芯片，它的转换效率高于77%，应用时比较简单且外围元件较少，并且内置的过流保护电路和过热保护电路，控制简单且成本较低，基于上述原因选择方案二。
2.2CPU最小系统方案的选择
方案一、使用AT89C51系列的单片机，配合8位精度的ADC0809及DAC0832来检测输出电压并实现数字均流控制。
方案二、采用宏晶科技生产的STC12C5608AD系列单片机，它内部具有8路高速10位精度的A/D转换器，连接串行的10位TLC5615数模转换器实现电压检测功能。
由于STC12C5608AD系列的电压输入型A/D转换器速率可达到100KHz，并且转换精度高，与串行的10位数模转换器TLC5615接口硬件电路简单，编程也不麻烦并且工作稳定，用于检测输出电压并实现均流目的优于方案一且其功耗低，抗干扰，故选用方案二。
2.3过流保护方案的选择
方案一、通过检测电路，把检测到的信号与设定值相比较，比较电路产生的输出信号使控制电路失效，逆变电源的输出或输入被切断，从而达到保护的目的。
方案二、利用单片机编程，检测输出电流标志，当输出电流大于4.5A时通过软件给与LM2576第5脚连接的P3.4高电平。
由于电源并联系统的硬件连接比较复杂，通过软件编程提供过流保护可以减轻硬件负担并充分利用了单片机的优越性，故选择方案二对电路进行过电流保护。
2.4均流方法方案的选择
目前主要的均流方法有输出阻抗法、主从设置法、平均电流法和最大电流法等，传统的均流方法主要采用模拟控制来实现，难以解决均流精度与控制结构复杂度之间的矛盾，而数字均流技术可以简化硬件电路，解决模拟控制的元器件老化和温漂所带来的问题，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性。
并且利用单片机实现数字均流易于实现各种先进的控制方法和智能控制策略，使得电源的智能化程度更高，性能更好。
根据以上比较确定系统选取集成的单片开关稳压器LM2576HV-ADJ，并用STC12C5608AD单片机进行控制，通过模拟量与数字量的相互转换、利用数控均流方法分别调节两个模块输出电流；利用LM317、W7800芯片为单片机、D/A转换器和运算放大器提供合适的工作电源；同时可以通过单片机的人机对话接口对电压及电流进行显示，便于观察与分析；通过两个按键选取电流调节的档次，使该并联电源系统的设计更加完善。
3．单元模块设计
3.1DC/DC降压电路设计
DC/DC降压电路主要采用降压单片开关稳压器LM2576HV-ADJ芯片，并辅以运算放大器、电感、电阻、电容等辅助器件构成，其电路如图3.1所示。
LM2576HV输入电压范围为4.75~60V，转换效率高于77%，且内置频率补偿电路和固定频率振荡器，在规定的输入电压和输出负载的条件下，LM2576输出电压的误差范围为±4％；负载电流可以达到3A。
图3.1DC/DC降压电路图
图中，电感L1值的计算公式为：
，其中为输出电压，为最大输入电压，最大负载电流。
在是输入端和地之间的旁路电容，取Cin=100uF，安装时要求尽量靠近LM2576的输入引脚。
输出电容是用来对输出电压进行滤波以及提高环路的稳定性，为得到较小的输出纹波电压，选取2200uF，耐压值为16V。
D1为续流二极管，接线接线尽可能LM2576，且连接的导线要短、管脚要短。
二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，本文二极管的额定电流值应大于电路最大电流3A。
二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。
由于肖特基二极管开关速度快、正向压降较小，所以，其应用性能很好，本文设计的电路中选取1N5822系列的肖特基二极管。
当没有反馈回路时，V2点电压，其中（4引脚电压）。
利用运放控制芯片的反馈端，输出电压经R1和R2分压取样后送到TL082的正输入端，负端接到反馈电阻和R3之间，V1+信号是D/A转换输出的电压信号，设LM2576的4端脚电压为V4，且V4=1.23V,设R1和R2之间的取样电压为Vq，则有V4-Vq=1/5（Vq-V1+）；；根据电阻比，V2=7Vq=，当V1+在0~2V之间变化时，V2的变化范围为7.17~9.5V；即可得到检测电压与D/A转换值之间的量化关系，进而用于均流计算。
3.2单片机控制模块设计
单片机控制模块包括单片机和相应的A/D、D/A转换模块以及人机交互接口。
这一模块的作用是通过单片机内部的A/D及扩展输出的D/A转换信号对开关电源核心模块进行控制，从而实现程序调整并联电压的功能，其原理如图3.2所示。
STC12C5608AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、高速、低功耗的新一代8051单片机。
内部含有路10位高速电压输入型A/D转换器，速率可达到100KHz，设计中利用STC12C5608AD单片机内部A/D实现模数转换；数模转换由10位数模转换器TLC5615实现。
本电路采用两片数模转换器级联控制，输出模拟量分别送到两个运算放大器的负输入端，经反馈比较得出LM2576采样输出电压与D/A端电压之间的关系，以便用软件控制电流的实际分配比例。
电路如图3.2所示。
人机交互接口采用液晶屏和键盘控制器，完成数据显示和键盘输入的功能。
通过液晶屏显示一方面读出采样点的电压值以便进而计算得出负载电压及转换效率等数据；另一方面使得电源的设计更加完善。
按键的设置增强了电源的可操作性，可以通过按键调节两并联支路电流的比值。
图3.2测控电路图
3.3均流方法的选择
图3.3为电流电压分配电路，若想测出流过负载电阻的电流，需分别求出I1和I2，即ΣI=I1+I2，且电流不能超过4.5A，若过流则采用软件进行过流保护。
由于R5和R6为0.25Ω的大功率电阻，每个电阻所允许的最大电流不能超过4A，所以R5和R6所占电压较小，直接检测其端电压结果不精确，所以设计一个采样电路，用单片机的P1.0、P1.1和P1.2三个端口分别对Vj3、Vj2和Vj1三个点的电压进行采样，得出V2=2Vj2；V1=2Vj3；V0=2Vj1；进而计算出I1和I2，通过D/A控制运放的反向端，进一步调节V1和V2。
图3.3负载两侧电压电流分配电路
3.4电源模块
由于题目中给出的是24V直流电源，而单片机正常工作需要5V电源，运算放大器TL082需要±5V的电源，这个电源转换过程可采用LM2576和W7805三端集成稳压器的连接来实现。
具体电路如图3.4所示。
W7805表示输出电压为5V,最大输出电流为0.5A，它的输入端和输出端之间的电压允许值为3~13V；输出交流噪声很小，工作性能稳定。
LM2576正常连成DC/DC转换稳压电路，由于芯片内部具有固定频率为52kHz的振荡器，正常工作时，会使变压器T的一端储存能量，如图3.4所示，根据变压器的工作原理，它的同名端电流逐渐增加，使电容充电，肖特基二极管D2可以防止回流，2，3引脚间电压为+5V,所以U1的2引脚输出电压为-5V；U2为三端稳压电源的正常应用，可输出+5V电压。
图3.4获得正负5V电压原理图
D/A转换器TLC5615正常工作需要2V的基准输入电压，而单片机等元件的工作电压为5V，需要用LM317来制作一个电源转换模块。
图3.5为2V电压电路，输出电压计算公式：
，其中I2为流过R2支路的电流。
图3.5获得2V电压的原理图
4.软件设计
本文利用STC12C5608AD系列单片机，由于处理器速度较快，所以软件采用C语言编程。
根据上述的均流算法，主要实现了对两个并联支路电流的分配控制和过流保护的功能，并利用定时器设定采样时间间隔及保护时间。
图4.1和4.2分别为主程序流程图和定时器中断程序流程图。
图4.1主程序流程图
图4.2中断程序流程图
5.系统测试与结果分析
本供电系统由两路降压电源模块并联而成，能够实现为负载提供较大输出功率的功能，并能在保持输出电压的情况下自动控制使两并联模块按固定模式分配电流。
系统设计时留出了、、、、、参数的测试端子，测试时要求只可以手动调整负载电阻，采用数字万用表的电压档、电流档及欧姆档分别测出各项参数。
表5.1并联工作模式下负载的各项指标
组别
负载电阻（Ω）
输出电压Uo（V）
输入电流Ii（A）
输出功率（W）
系统效率（%）
1
41.8
8.08
0.10
1.52
63.23
2
26.0
8.03
0.15
2.48
66.94
3
20.3
8.02
0.20
3.17
64.14
4
7.2
7.90
0.50
8.67
70.19
注：
实际测量时输入电源电压为Ui=24.7V
表中，输出功率即为负载电阻消耗的功率，P=，供电系统效率。
表5.2并联工作模式下两支路电流分配情况
组别
输出电压Uo（V）
模块1
模块2
电流比I1：
I2
电流（mA）
误差
电流（mA）
误差
1
8.08
92
4.1%
94
2.0%
1:
1.02
2
8.03
155
0.6%
150
2.5%
1.03:
1
3
8.02
190
3.5%
202
2.5%
1:
1.06
4
7.90
520
5.1%
538
1.8%
1:
1.03
由两个表可以看出，负载两端电压及系统效率满足题目要求，在保持输出电压UO=8.0±0.4V情况下，调整负载电阻，电流分配比例基本满足设计要求，但输出电流较小，最大达到1A，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。
6.收获与心得
由LM2576HV-ADJ及其外围电路提供DC/DC降压模块是
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