开关电源模块并联供电系统.docx
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开关电源模块并联供电系统
2011年全国大学生
电子设计大赛
题目：
开关电源模块并联供电系统
参赛学校：
山东理工大学
开关电源模块并联供电系统
摘要本开关电源并联供电系统由32位ARM芯片作为控制器，采用电流互感器获得主从模块的电流，利用精密电阻分压采样获得输出电压信号，从而构成主从式均开关电源并联供电系统，主模块为电压、电流双闭环控制，从模块为单电流环，经过ARM芯片处理PWM调节，系统实现8V输出电压，负载电流在设定比例之间变化，两个模块的输出电流可在0.5～2.0范围内按指定比例调整，具有过流保护，负载电压输出稳定，实现主从模块控制的并联供电系统按照设定比例高效供电。
关键词：
并联供电；开关电源；ARM；PWM
AbstractThepowersupplyiscontrolledbyanarmcortex-m3mcu,theoutputissuppliedby2buckcircuits.Thesystemcanbeadjustedbyafeedbacklooptocorrecttheerror,andmonitorpresentvaluesonaTFTscreen.Theoutputcurrentcanbedistributedinarangebetween0.5-2.0.
Thesystemhasanover-currentprotection,isanidealsolutionofpowersupply.
Keywords:
parallelpowersupply,switchingpower,ARM,PWM
一、方案论证及比较
1、开关电源并联均流方案论证
方案一：
输出阻抗法：
输出阻抗法通过调节开关变换器的外特性即调节输出阻抗达到并联模块接近均流的目的，也称电压调节率法。
方案二：
主从设置法：
主从设置法是在并联的n个变换器模块中，人为的制定其中一个为主模块，而其余各模块跟从主模块分配电流，称为从模块。
该方法适用于有电流型控制的并联开关电源系统中，电流型控制是指开关电源模块中有电压控制和电流控制，电流环为内环，电压环为外环。
下图为2个变换器模块并联的主从控制原理图。
图中每个模块都为双环控制系统，设模块l为主模块，按电压控制规律工作，模块2按电流型控制方式工作。
为主模块的基准电压，
为输出电压反馈信号。
经过电压误差放大器，得到误差电压
，它是主模块的电流基准，与
（反映主模块电流
大小）比较后，产生控制电压
，控制调制器和驱动器工作。
主模块电流将按电流基准
调制，即模块电流近似与
成正比。
各个从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差
输入各跟随器，跟随器输出均为
，为从模块的电流基准，因此各个从模块的电流均按同一值
调制，与主模块电流基本一致，从而实现模块间的均流。
综合比较，由于题目中要求不低于60%的供电效率和两模块输出电流按指定的比例自动分配，且每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%，在方案一中，对电压源来说，内阻RO（斜率）应越小越好，但是这种均流方法利用改变Ro来实现均流，降低了电源输出的负载特性，即以牺牲电路的技术指标来实现均流，而方案二调节精度比较高，还能满足较高的供电效率，所以选择方案二。
2.BOOST变换器方案论证
（1）buck拓扑
使用基本的buck电路实现DC-DC变换，buck拓扑电路简单，效率高，输出功率一般在50w以下。
（2）单端正激变换器
单端正激变换器是在buck变换器的基础上，加入变压器隔离而实现的，电路实现相对简单，输出电流波形好，输出功率一般在50-200w，但电路中高频变压器计算复杂。
（3）单端反激变换器
反激变压器结构简单，滤波电路简单，常用于20-100w的场合，但开关管需要承受高于2倍的输入电压。
综合题目要求，电路DC-DC变换器模块的设计需要达到16W8V的输出，同时供电效率不应低于60%，电压变换器模块仅需满足小功率输出即可，考虑到加入变压器隔离会降低电路效率，同时会加大电路参数计算的复杂度，因此在本系统设计中选用基础的buck电路实现DC-DC变换。
3.系统控制模块方案论证
（1）通过51单片机进行控制
通过51单片机进行控制，控制电路简单，并且有很好的灵活性，但51单片机处理速度在处理数据很大的时候会受到影响，同时需要部分芯片的支持才能完成整个系统的控制与检测，增大了电路设计的复杂性。
（2）通过DSP进行控制
DSP与其他单片机相比，拥有极快的运算速度，可进行多种复杂算法的快速计算，同时，DSP也有着很多常用外设的支持，可以简化电路设计，但是使用DSP会增加系统总成本。
（3）通过STM32进行控制
作为ARM最新的微控器构架，stm32拥有极快的运算速度和极其丰富的外设的支持，同时微控器售价很低，与其他32位单片机相比，stm32在控制器领域有极高的性价比。
综合题目要求，在系统中要实时检测电路工作状态，同时通过系统工作状态的反馈数据进行下一步的处理，系统要求微控器可以同时对多任务进行处理，51单片机在多任务处理上不具备优势，同时可能面临因任务不能及时处理而导致系统崩溃，DSP可以以极高的效率完成系统控制，但成本过高，因此，在本系统的设计中采用stm32作为控制系统的核心进行控制。
4.过流保护电路
（1）采用硬件电路实现过流保护
硬件电路实现过流保护，电路相应速度快，但是硬件电路的设计参数计算复杂，并且电路调节范围小，仅适用于输出范围较小的系统。
（2）采用软件控制实现保护
软件控制实现过流保护，相对于搭建硬件电路，可以明显减少成本，同时可以在很宽的范围内动态调整各种保护参数，编程灵活，但实时性较硬件电路差。
考虑题目要求，电路要求实现过流保护功能，因之前的设计中已包括电流采样，从可重用性，成本，调整范围等多方面综合考虑，在本系统中采用软件实现过流保护。
二、原理分析与系统设计
1.BUCK驱动电路设计
·设计要求：
驱动半桥电路，输出电压要求大于mos管开启电压，隔离后级buck电路mos管的地电位。
Buck电路中mos管因为浮地的原因不能直接驱动，所以利用高低端驱动芯片ir2110驱动buck电路中的mos管。
根据设计需要，驱动三极管型号为FS50SMJ，驱动电压为10V，因此选用ir2110作为n-mos驱动芯片，同时加入
C1，C2，C3三个电容滤波，电容参数取为1-10nF，根据实际情况调整。
2.BUCK电路参数分析及稳压方案设计
·设计要求：
输入电压为24V直流，输出电压为8V直流，纹波电压取为0.5-1%
，mos管开关频率取为40kHz。
为保证输出电流连续，选取
连续状态：
即
，得
取电感L为临界值得1.2倍，L=200
晶闸管的峰值
纹波电压取0.5%~1%
加入电容C5作为输出滤波
3.电压检测
在输出端通过分压电阻直接采样，分压电阻由3个20kΩ电阻串联组成，采样值为输出电压的1/3。
4.电流检测
电流检测通过霍尔传感器进行采样，考虑电路最大输出电流为4A，过流保护阈值为4.5A，所以每个模块可能流过的最大电流大于3A，霍尔传感器选择HFB-PS5，器件额定输入电流5A，测量电流范围0±16A。
三、单片机系统软件设计
本程序通过键盘设定电流比例，利用PI算法控制PWM波占空比，实现电压的稳定输出，并且为了减少干扰，软件采用中断周期采样，既只在中断周期内采样，这样避免采样到毛刺，进行错误判断，导致输出电压不稳定，再根据电流采样调节主从模块的输出电流。
采用电流互感器获得主从模块的电流，利用精密电阻分压采样获得输出电压信号，从而构成主从式均开关电源并联供电系统，每个模块均为电压、电流双闭环控制，外环控制电压，内环调节电流，软件主流程（见图3-1）。
四、测试数据
4.1基本部分数据测试结果*△为输出电流的相对误差的绝对值
测试项目
电流比例1:
1
电流比例1:
2
标准值
实测值
标准值
实测值
Uo（v）
8.0±0.4V
8.05V
8.0±0.4V
8.05V
I1（A）
0.5A
0.505
0.5A
0.505
I2（A）
0.5A
0.497
1.0A
0.997
I（A）
1.0A
1.02
1.5A
1.52
η（％）
≥60％
67％
≥60％
67％
误差（％）
≤5％
＜3%
≤5％
＜2%
表4-1
图3-1
4.2发挥部分数据测试结果指定电流比例
测试项目
标准值
指定比例0.5
指定比例1.5
指定比例2.0
Uo（v）
8.0±0.4V
8.05V
8.02V
8.01V
I1（A）
0.5-2.0A
0.76A
0.91A
1.03A
I2（A）
0.5-2.0A
0.77A
0.59A
0.51A
I（A）
1.5A
1.53A
1.50A
1.54A
η（％）
≥60％
68.7%
69.4%
70.4%
误差（％）
≤2％
＜1%
＜1%
＜1%
表4-2
数据测试结果电流比例1:
1电流4A
项目测试
标准值
比例1:
1
Uo（v）
8.0±0.4V
8.04
I1（A）
2.0A
2.03
I2（A）
2.0A
2.05
I（A）
4.0A
4.08
η（％）
≥60％
68%
△（％）
≤2％
1%
4.3实测波形：
五、结论
系统结构合理，运行稳定，所需功能完整实现，两个模块的输出电流可在要求比例范围内按指定的比例自动分配能达到开关电源模块并联供电系统的各项要求。
模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于1%。
额定输出功率工作状态供电系统效率达到68%。
六、参考文献
[1]谭博学苗汇静.集成电路原理及应用.电子工业出版社，2010
[2]（美）Pressman,A.（著）,王志强（译）.开关电源设计（第二版）.电子工业出版社，2005
[3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社,2004
[4]周志敏周纪海纪爱华开关电源实用技术-设计与应用北京：
人民邮电出版社，2007年
[5]刘志英标准DC-DC开关电源设计数字技术与应用2009年第8期
七、附录
1、5V电源
2、MOS驱动模块
3、DC-DC模块（主）
4、DC-DC模块（从）
5、单片机系统
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