Get清风开关电源并联供电系统论文.docx

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开关电源并联供电系统论文

开关电源并联供电系统的研究与实现

许家龙物理与电子信息学院

摘要：

本文通过对开关电源并联技术的分析，在原有单一技术的基础上，提出了新型的开关电源并联技术的方案，该方案在保持传统均流技术的同时，能控制各模块的分流比，使得额定功率不同的模块可以并联工作，解决了传统技术的弊端。

文章首先对课题的研究背景、意义以及发展现状进行了简要的介绍，在后续章节中则分别完成了系统总体方案设计、系统硬件设计以及软件设计等，最后结合硬件与软件对系统进行了调试与测试。

关键词：

开关电源；并联；均流技术；分流比

Theresearchofparallelswitchingpowersupply

XuJialongCollegeofPhysicsandElectronicInformation

Abstract:

Thepaperproposesanewtypeofswitchingpowersupplyinparallelprogramonthebasisoftheoriginalsingletechnologybytheanalysisfoparallelswitchingpowersupplytechnology.Theschemescancontrolthesplitratioofeachmoduleandalsomaintainthetraditionaltechnologicalsuperiorityatthesametime,makingthenominalpowermodulecanworkinparalleltosolvethedrawbacksoftraditionaltechniques.Thearticlefirstlyintroducestheresearchbackground,significanceanddevelopmentstatus,thesubsequentchaptersrespectivelycompleteoverallsystemdesign,hardwaredesignandsoftwaredesign.Finally,Idebugandtestthesystemwiththecombinationofhardwareandsoftware.

Keywords:

switchingpowersupply;parallel;currentsharing;splitratio

绪论

在大量电子设备的实际使用中，往往因为单个电源的参数（如电压，电流，功率）不满足要求或发生故障，这种就会引起整个系统效率低下或系统崩溃，所以在实际应用中通常采用多个电源并联运行。

随着这方面研究的不断深入，开关型电源逐渐突显出其优越性，并联供电系统更是在此基础上的一大改进[1]。

多模块并联运行的分布式电源系统代替集中式电源供电系统已成为大容量高频开关电源系统发展的一个重要方向。

和集中式供电系统相比，分布式电源有更多的优点：

能提高系统的灵活性;可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了电源模块的功率密度，提高了系统的可靠性。

并且分布式系统可非常方便的实现并联方式的扩展，可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成智能化大功率供电电源，这样就大大减轻了对大功率元器件和装置的研制压力。

传统的开关电源并联供电技术主要是均流技术，即各个模块额定功率相同，要求每个模块负担的功率相同，这样的技术国内国外已相当成熟，解决了实际中的许多问题。

但是随着工业科技的发展，均流技术已满足不了不同额定功率电源的组合供电问题，主要是因为均流技术要求每个模块输出功率相同，当不同模块并联供电时，只能取最低额定功率输出的模块为标准供电，大大浪费了高功率电源模块的效率。

所以，本文提出了一种可控制各模块功率的方案，该方案能保持传统的均流技术的同时，可自设定每个模块的功率输出，能高效率的使用各个模块的“潜能”，在提高了系统的供电效率的同时大大减低了系统的成本。

1系统设计要求

1.1系统总体设计要求

设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统（见图1.1）。

图1.1两个DC/DC模块并联供电系统电路示意图

1.2系统功能概述

（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压

Uo=8.0±0.4V。

（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%。

（3）保持输出电压Uo=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之比为1:

1即均流模式，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。

保持输出电压Uo=8.0±0.4V，手动输入两个模块的电流比，设定完成后，要求每个模块的输出电流相对误差绝对值不大于5%。

（5）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允

许有±0.2A的偏差）。

1.3系统设计思路

本课题研究的并联供电技术是众多并联供电系统均流技术中的一种衍化而来，该均流技术为强迫法，即在多模块并联供电时，指定某一模块为主模块，用于控制输出电压稳定，其余模块为从模块，从模块中有控制电路，用于控制自身电流输出，从而“强迫”其它模块输出电流大小，达到均流目的。

本设计方案在均流基础上实现“不均流”的目标，主要是想控制各模块的输出功率比，利用的技术为“强迫法”，以单片机、开关电源芯片为核心，电流、电压采集电路组成，实现了两个DC-DC模块并联稳定输出电压同时可以任意控制功率输出比。

2系统的设计方案论证

开关电源并联供电系统的硬件总体框图请参见图2.1

图2.1系统框图

2.1DC-DC模块方案选择

方案一：

基本元件搭建开关电源，包括PWM波的发生电路、比较器，放大器，调整管等。

方案二：

采用成熟的开关电源PWM波发生芯片TL494，该芯片应用较广，功能很强。

方案一采用基本元件如运放，比较器，可以更好的理解开关电源的结构及原理，但是搭建电路时间较长，且元器件众多，相比成本也更高，且不稳定。

而采用TL494芯片，结构简单，工作稳定，性价比更高[2]，所以这里采用方案二的设计。

2.2电流检测方案选择

方案一：

小电阻检测电流法，通过检测小电阻R两端的电压差V，来检测其电流I（I=V/R）。

方案二：

基本滤波器电流检测法，电路图如图2.2所示，其中，Vc是检测电容Cs的电压，iL是电感L上流过的电流，Vin是直流输入电压，V是直流输出电压。

电感的等效串联寄生电阻是RL。

其基本思想是通过检测电容电容电压V来检测电感电流信号I，当器件匹配条件符合时，检测电压信号便可反映检测电流信号。

图2.2基本滤波器法电路图

方案三：

电流传感器法，其所依据的工作原理主要是霍尔效应，当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电极可产生和原边磁力线成正比的大小仅几毫伏的电压，电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS[3]。

方案一的方式简单，但是为了有较高的电流检测精确度，需要的采样电阻也很大（一般为0.1欧姆以上），这样就会导致电源整体效率的降低。

方案二方法较复杂且要求电感的阻值越高越好，但实际中的电感阻值很低，这里不予采用。

方案三，简单方便，不需要采样电阻，只需将导线穿过传感器即可，这里选择方案三。

2.3为各芯片供电的5V电源方案选择

方案一：

采用常用的稳压芯片7805，价格便宜，简单方便。

方案二：

采用开关电源芯片LM2596,能够提供较大电流（2A），且效率较高[4]。

这里采用方案二，因为LM2596具有较高的效率，可以提高整体开关电源并联供电系统的效率。

2.4主控芯片的选择

方案一：

使用STC系列单片机，驱动能力强，且相对稳定，性价比较高。

方案二：

使用低功耗的MSP430系列的单片机，运算速度快，片内资源丰富。

由于对MSP430单片机不熟悉，没有采用这个理想的方案，且我认为STC单片机价格便宜且足以胜任本设计的需要，所以选择方案二。

2.5过流保护方案的选择

方案一：

设计一个过流保护电路，但电流超过4.5A时自动断开总电路。

方案二：

采用软件保护，当检测电流超过电流值4.5A时，通过软件判断，断开总电路，并实时检测电流值，当电流值下降到4.5A以下时，打开总电路。

方案二可以在原有电路的基础上加上一个继电器即可，而方案一设计的电路要复杂的多，这里采用方案二。

3系统硬件设计

整个系统采用模块化设计，每个模块都是一个独立的单元，方便调试

3.1主控电路原理图

单片机采用STC89C52，采用12MHz晶振，单片机用P0组口和P2.5、P2.6、P2.7口控制液晶显示屏显示，用P1.0、P1.1、P1.2控制DAC口输出，用P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7来采集ADC三路值，P2.0、P2.1口用于软触开关的输入，P2.2口用于控制继电器的开关[5]，原理图见图3.2。

图3.2主控电路电路图[6-7]

3.2DC-DC主从模块原理图

主模块相对比较独立，用于稳定输出8V电压，以TL494芯片为控制核心的单端PWM降压型开关稳压电路如图3.4所示，由TL494芯片、PNP型大功率开关管TIP127、二极管、和低通滤波器组成。

图3-4中，连接在控制器TL494引脚端5和引脚端6的电容C和电阻R决定开关电源的开关频率。

开关电源的开关频率与电容和电阻的关系式为

f=1.1/R*C

此电路中，R=47千欧，C=1nf，振荡频率为23.4kH

为保证电流连续，低通滤波器的电感取值不能太小，但也不能太大。

这里取值：

L＝1mH。

图3.4DC-DC主模块电路图

从模块和主模块有两个地方不同，一个是在从模块的输出导线上安装了电流传感器，另一个不同是tl494的参考电压即2口接的不是14口的标准5V电压，而接的是由单片机直接控制的DA模块的输出口，主要目的是用于控制从模块的电流输出，原理图见图3.5。

图3.5DC-DC从模块电路

3.3电流检测模块原理图

电流传感器HFB05PS5额定输入电流为5A，满足系统设计需要，零点输出电压为2.5V，电源电压为5V，使用比较简单，相关示意图见图3.6，使用时只需将导线穿过孔即可（从IN+穿入，IN－穿出），数据输出端接ADC模块采样口。

图3.6HFB05PS5引脚说明

3.4ADC和DAC模块原理图

电压采集采用高精度多路采集芯片TLC2543，TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。

由于是串行输入结构，能够节省STC系列单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高，其中所需要的采样口分别为：

两个电流检测模块，一个总输出电压口（8V左右），原理图见图3.7。

采用美国德州仪器公司生产的10位串行D/A转换器芯片TLC5615为核心，实现电路图如图3.8所示

图3.7ADC模块电路图图3.8DAC模块电路图

3.5显示和输入模块原理图

显示用的是液晶显示屏lcd1602,接口较多，和单片机接法见图3.9，输入模块使用的是廉价实用的轻触开关，接法简单，见图3.10。

图3.9液晶显示屏电路图图3.10输入开关电路图

3.6过流模块和5V电源原理图

使用的是LM2596开关电源芯片，相关引脚说明：

feedback回馈，regulatedoutput稳压输出，unregulatedDCinput非稳压直流输入，等等[8]