开关电源模块并联供电系统报告.docx
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开关电源模块并联供电系统报告
开关电源模块并联供电系统
摘要：
针对大功率负载的情况,选用单台大功率电源有很多技术上的难题需要克服。
本文介绍一种开关电源模块并联供电系统，其具有加大功率、自动均流、手控均流的功能。
该供电系统由电压转换模块、DC/DC转换模块、单片机控制模块以及显示模块等组成。
通过A/D对电路进行采样，使用单片机控制PWM占空比来改变DC/DC模块电压和电流，从而达到改变电源功率且对电流进行分配的功能，同时电路具有过流保护功能对系统进行保护。
测试结果表明本系统满足设计要求且工作稳定。
关键词：
DC/DC模块、PWM、A/D转换
Switchingpowersupplymodulesinparallelpowersupplysystem
ABSTRACT：
Ifthechoiceofasinglepowersupplytherearemanytechnicalobstaclestoovercomeforhigh-powerload.Thispaperintroducesaswitchingpowersupplymodulesinparallelpowersupplysystem,whichhasincreasedpower,autocontrolofshuntandhandcontrolofshuntfunction.Itsmainlybythevoltageconversionmodule,DC/DCconvertermodule,single-chipcontrolmodule,displaymoduleandothercomponents.ByA/Dsamplingcircuit,thesingle-chipcontrolthePWMdutycyclewhatchangeDC/DCmodulevoltageandcurrenttoachievethechangeofcurrentinelectricalpoweranddistribution,whileover-currentprotectioncircuittoprotectthesystem.Testresultsshowthatthesystemmeetsthedesignrequirementsandjobstability.
KEYWORDS:
DC/DCmodule,PWM,A/Dconversion
1、引言
对于大功率负载的要求,可以由单台的大功率电源来提供或者由多台开关电源并联来提供。
但是单台的大功率电源在设计和制造中存在很大的困难,成本也不合算,可靠性和稳定性也难以保障。
多台开关电源的并联系统能很好的克服这些缺点,并具有单台电源所不具备的优点。
多台开关电源的并联系统的输出功率具有可扩展性。
而且开关电源以其效率高，体积小,重量轻等显著特点，世界各国都已广泛应用。
特别是对开关电源模块并联供电系统的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究内容，其中开关电源模块并联均流技术是实现大功率电源系统的关键技术。
本文综合探讨了开关电源并联供电运行中的自动均流技术，并且开发自主调节电流分配比例功能。
可以解决普通电源在某些领域解决不了的问题，具有很强的市场竞争力。
2、系统方案设计
2.1、系统方案设计
方案一、通过24V电源给单片机和两个并联DC/DC模块供电，并通过一个单片机分析反馈回来的数据，进而控制PWM占空比来改变DC/DC模块相应数据。
系统结构图如图3所示：
图2-1方案一系统结构图
方案二、通过24V电源给单片机和两个并联DC/DC模块供电，并通过两个单片机分析反馈回来的数据，分别控制PWM占空比来改变两个DC/DC模块相应数据。
系统结构图如图2所示：
图2-2方案二系统结构图
通过讨论得出一个单片机时要求两个模块要并联共地，干扰较大，用两个单片机分别控制两个独立模块，消除模块间的相互干扰，故选用方案二。
其单个模块电路设计框图如下所示
图2-3单个模块电路设计框图
2.2单元模块方案设计
2.2.1、电压转换部分设计方案
方案一、通过分压电路将24V电压降到5V电压，例如串联两个电阻，两个电路的阻值比例和电压转换比例相等，这样就可以得到任意想得到的电压。
方案二、使用7805稳压芯片，将24V电压转换成5V稳定电压。
比较上述两种方案，由于7805便捷性、集成化高、性能稳定以及转换效率高等优点，本方案选择方案二。
2.2.2、显示部分设计方案
方案一：
采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。
方案二：
采用点阵字符型LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。
比较这两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD来实现显示功能。
2.2.3、DC/DC模块设计方案
方案一、Buck/Boost变换器：
也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。
Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。
方案二、采用Buck变换器，也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。
由于本设计要求降压，故只需要选用方案一，无需选用方案二。
2.2.4、单片机控制模块
方案一、采用市面上应用比较广泛的51单片机，利用硬件扩展，实现AD转换和PWM控制，利用其8个AD转换对两个DC/DC模块的电路进行数据采集，反馈给单片机后分析比较，再根据设计要求改变PWM占空比，同时设置4个按键通过程序达到控制电流分配比例的要求。
方案二、采用飞思卡尔单片机MC9S12XS128-80PIN芯片，利用其8个AD转换对两个DC/DC模块的电路进行数据采集，反馈给单片机后分析比较，再根据设计要求改变PWM占空比，同时设置4个按键通过程序达到控制电流分配比例的要求。
综合上述两种方案，方案一硬件扩展比较复杂，考虑到集成化、便携性以及速度等性能，和51相比我们选用的是MC9S12XS128微控制器，它是飞思卡尔公司M68HC12系列16位单片机中的一种，其内部结构主要有单片机基本部分和CAN功能块部分组成，基本结构包括：
中央处理器单元HCS12（CPU）、2个异步串行通信口SCI、2个同步串行通信口SPI，8通道输入捕捉/输出比较定时器，1个8通道脉宽调制模块以及49个独立数字I/O口（其中20个具有外部中断及唤醒功能），在片内还拥有128KB的FlashROM，8KB的RAM和2KB的EEPROM，CAN功能块包括两个兼容CAN2.0A/B协议的msCAN控制器组成，其中包含8个A/D转换口，电路中测得的电压和电流信号通过A/D转换后经过算法分析后控制PWM输出，使相应的电压值和电流得以改变。
由于该MCU具有我们所做设计的全部端口，所以能够很方便的进行相应的控制和调试，并且具有很快的运行速度。
故本系统采用方案二
3、理论分析与计算
3.1、DC/DC变换器稳压模块
Buck变换器：
也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。
图3-1DCDC降压电路简图
图中，Q为开关管，其驱动电压为PWM（Pulsewidthmodulation脉宽调制）信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比D=Ton/Ts。
BUCK型DC/DC只能降压，其理论降压公式：
Vo=Vi*D（本公式是理想状态下输入输出关系，实际电路达不到严格的线性关系），D为充电占空比，既单片机产生PWM的占空比。
通过本式可以看出输出电压和PWM占空比成线性关系，通过改变PWM占空比就可以达到改变电压的效果。
3.2、电流电压检测方法
3.2.1、电压检测方法
系统通过对需要测试的位置加入测试电路（如图所示），将电压经过AD转换采集转换再输入单片机计算得到需要测试的电压数据。
如图所示
图3-2电压检测电路简图
图中待测点电压U经过加入的测试电路输入到AD1转换器的电压U0是
，经过单片机程序处理计算完全可以得到待测电压
。
3.2.2、电流检测方法
本系统对待测点电压通过放大器放大，再经过AD转换采集，再输入单片机计算得到需要测试的电压数据。
如图所示
图3-3电流检测电路简图
图中所示电阻R11左侧电压U1和右侧电压U2都是按照上面测试方法得到，经过经过差分放大A/D2采集到的电压
在R8=R11,R9=R12的情况下再由上面电压算法可得R11电流
。
3.3、均流方法
传统的均流方法是平均值均流，既每个并联模块的电流放大器输出端接一个相同的电阻到一条公共母线上，形成平均值母线。
当某模块电压比母线电压高时，输出电压下降，反之亦然。
而在本系统中若使用传统方法不能满足设计要求，故本系统使用主从法，适用于电流型控制的并联开关电源系统中。
这种均流系统中有电压控制和电流控制，形成双闭环控制系统。
实时对电压和电流进行监控调节。
本系统式通过单片机上的AD转换对需要检测的电压和电流进行采集，然后根据设计要求需要负载电压稳在8V且两个模块的分电流控制在一定比例，故根据这两个要求设计单片机算法分别控制PWM来调节来改变电流电压达到要求为止。
3.4、过流保护方法
本系统通过电流和电压的关系，通过计算得到过载电流对应的电压，再通过电压比较器以及电子开关来实现对电路的保护功能。
如图所示
图3-4过流保护模块电路图
图中若U-inA大于比较电压U-inB（该电压可以通过电位器调节）时，电压比较器输出高电平则三极管Q1截止，PMOS管Q3的UGS达到导通条件，PMOS管处于导通状态，电路正常工作；否则，电压比较器输出低电平则三极管Q1导通，PMOS管Q3的UGS达不到导通条件，PMOS管截止切断电源，从而达到保护电路的作用。
4、电路设计
4.1、电压转换模块设计
图4-1电压转换电路设计图1
由于实验要求供电电压24V，但单片机等主控芯片电压为5V，故采用稳压芯片7805将电压稳在5V。
图4-2电压转换电路设计图2
由于本系统要使用液晶显示，其驱动电压为3V，故用LDO线性稳压器完成5V-3V的转换。
4．2、DC/DC变换器模块电路设计
图4-3DC/DC变换器模块电路设计图
如图所示，电路的过载保护部分、电流电压测试电路以及放大部分上面已经介绍，除此之外本电路在Buck变换器部分加入下拉电容，对一些频率的干扰进行过滤；
4.3、按键控制电路设计
图4-4按键控制电路设计图
本模块设计四个按键，分别是模式选择按键KEYModel、确定按键KEYOK、加按键KEY+和减按键KEY-，左边四个电压信号接入单片机，当无按键按下时输入单片机的是高电平，单片机不做任何动作；当按键按下时，例如模式按键按下时，KEYModel是低电平，单片机进入改变模式程序对模式进行改变。
4.4、显示电路设计
图4-5显示电路设计图
本模块首先通过LDO将5V电压稳在3V给LCD供电，然后LCD的2、3、5管脚接入单片机，通过单片机控制显示。
5、软件设计
5.1系统软件介绍
软件部分采用模块化程序设计的方法，由主控制程序、液晶显示部分子程序、键盘服务子程序等组成。
在保持总电流不变按对应比例分流的情况下，根据原理分析中提到的算法计算所需电流并以同一个变化量对两个分电流进行增加和减小，使其达到期望的比例值。
5.2程序流程图
下图是单一电源模块自动分流的程序流程图。
图5-1自动分流程序流程图
6、测试结果与分析
6.1测试环境
时间：
2011年9月3日
温度：
27
6.2测试仪器
（1）FLUKE17B多功能数字万用表
（2）数字示波器DS1052E
（3）思卡尔单片机MC9S12XS128-80PIN和BDM
（4）任意波形发生器DG1012
（5）数字电源GPS-4303C
6.3测试方法
硬件模块测试：
系统本身由三个主要硬件模块构成，所以分三部分进行调试，首先对DC/DC变换器模块进行测试，利用波形发生器产生方波，改变其占空比观察输出电压变化；然后对过载保护模块进行测试，通过改变滑动变阻器阻值改变比较电压，再给电路输入相应电压值观察发光二极管以及电路电压输出情况；最后对电路放大部分电路进行检测，对其输入小电压，观察输出情况；而剩下的按键电路可以结合软件测试，稳压电路直接用万用表观察输出电压是否稳定即可。
软件模块测试：
采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。
6.4测试数据
6.4.1DC/DC变换器模块测试数据
单个DC/DC模块在加入30欧姆的负载情况下分别选用不同占空比的波形输入，其他指标不变既频率（50KHZ）、峰值电压（Vh=5V）、谷值电压（Vl=0V）不变，并对每个波形输入加入不同输入电压观察输出电压。
占空比D（%）
输入电压Vin（V）
输出电压Vo（V）
20
24
2.031
30
24
7.371
50
24
14.73
70
24
17.713
80
24
19.040
表6-1DC/DC变换器模块测试数据表
6.4.2过载保护模块测试数据
在相同环境下，占空比一定时（取30%），其输入电压一定，调节保护电路的电位器VR1改变过载保护电压，观察发光二极管状态以及输出电压。
占空比D（%）
过载电压（V）
输入电压（V）
比较器输出电压（V）
输出电压（V）
发光二极管状态
状态
30
3.61
0.01
22.31
13.16
不发光
正常工作
0.00
0.00
0.00
发光
过载保护
表6-2过载保护模块测试数据表
6.4.3放大器模块测试数据
占空比D（%）
输入电压（V）
输出电压（V）
放大倍数
20
0.019
0.210
11.052
30
0.069
0.767
11.116
50
0.166
1.842
11.096
70
0.187
2.085
11.150
80
0.196
2.140
10.918
表6-3放大器模块测试数据表
6.4.4电流比例调节数据测试
（1）自动比例调节数据
总电流Io
分电流I1
分电流I1
负载电压
1.023A
0.504
0.519
8.035
1.532A
1.026
0.506
7.943
表6-4自动比例调节数据表
7、设计完成情况
设计要求
基本部分
发挥部分
完成情况
直流电压输出
8.0±0.4V
—
完成
系统效率
>60%
>>60%
基本部分完成
电流误差
5%以内
2%以内
基本部分完成
过载保护
—
4.5±0.2A
基本部分完成
电流比例调节
自动分配比例
手动设置比例
基本部分完成
表7-1设计完成情况
8、总结
由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。
9、参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2006
[2]潘永雄,沙河.电子线路CAD实用教程[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2007
[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,1998
附录
整体电路图
软件程序代码
#include
#include
#include
#include
#include
#pragmaLINK_INFODERIVATIVE"mc9s12xs128"
floatad[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};
floatp=1,P=1,ll=0.02,ppp=10.6,r1=0.16,mm=0,jjj=0.6,N=0;
floati1=0,i2=0,u1=0,u2=0,i=0,u=0,r=0,u3=0,i10=0,i0=0;
floatuc=0,uin=0,ur=0,ud=0.4,rl=0;
intPJ7=1,PJ6=1,PM4=1,PM2=1,Set_flag=0,jj_flag=0;
intadd_n=0,sub_n=0;
intas=120,n=0,a=0,b=0,c=0,d=0,e=0,f=0,g=0,h=0;
intdata[7]={0,0,0,0,0,0,0};
intPP,pp;
intk=0,jj=0;
longAD_TEMP0=0;
longAD_TEMP1=0;
longAD_TEMP2=0;
longAD_TEMP3=0;
longAD_TEMP4=0;
longAD_TEMP5=0;
#defineCMDOFF0//控制器掉电（控制字）
#defineCMDON1//控制器上电（控制字）
#defineCMDLCDOFF2//控制器液晶关闭（控制字）
#defineCMDLCDON3//控制器液晶显示（控制字）
#defineCMDB3C40x29//控制器液晶模式设置（控制字）
#defineCMDTONEOFF8//BUZZEROFF
#defineCMDTONEON9//BUZZERON
//显示字符
unsignedcharconstSeg_Tab[22]={0xAF,0xA0,0xCB,0xE9,0xE4,0x6D,0x6F,0xA8,
/*01234567displaycontent*/
/*01234567displaycode*/
0xEF,0xED,0xEE,0x67,0x0F,0xE3,0x4F,0x4E,
/*89ABCDEF*/
/*89101112131415*/
0x00,0x40,0xCE,0x42,0x07,0x23};
/*-PrLu*/
/*161718192021*/
/*BGCHAFED*/
//引脚定义
#defineLCD_CSPTS_PTS1
#defineLCD_CLKPTS_PTS3
#defineLCD_DATAPTS_PTS2
//显示缓冲
unsignedcharSeg_Buf[7];
voidDelay（unsignedintcnt）
{
while（--cnt）;
}
voidWrite_Bit（charout_bit）
{
if（out_bit&0x01）
LCD_DATA=1;
else
LCD_DATA=0;
Delay（100）;
LCD_CLK=1;
Delay（100）;
LCD_CLK=0;
Delay（100）;
LCD_CLK=1;
}
//写命令
voidLCDWriteCmd（unsignedcharcmd）
{
unsignedchari;
LCD_CS=1;//resetaddresspointer
Delay（100）;
LCD_CS=0;
Delay（100）;
Write_Bit
（1）;//writecommand100
Write_Bit（0）;
Write_Bit（0）;
for（i=0;i<9;i++）
{
if（（cmd&0x80）==0x80）
Write_Bit
（1）;
else
Write_Bit（0）;
cmd<<=1;
}
LCD_DATA=1;//resetpin
LCD_CS=1;
}
//写显示数据
voidLCDWrite（void）
{
unsignedchartemp_Data;
unsignedchari,j;
LCD_CS=1;//resetaddresspointer
Delay（100）;
LCD_CS=0;
Delay（100）;
Write_Bit
（1）;//writecommand101
Write_Bit（0）;
Write_Bit
（1）;
for（i=0;i<6;i++）
Write_Bit（0）;////writestartaddress0x00
for（j=0;j<7;j++）
{temp_Data=Seg_Buf[j];
for（i=0;i<8;i++）
{
if（（temp_Data&0x01）==0x01）
Write_Bit
（1）;
else
Write_Bit（0）;
temp_Data>>=1;
}
}
LCD_DATA=1;//resetpin
LCD_CS=1;
}
//关显示
voidShutDis（void）
{
LCDWriteCmd（CMDTONEOFF）;
LCDWriteCmd（CMDLCDOFF）;
LCDWriteCmd（CMDOFF）;
}
voidLCD_init（void）
{
uchari;
LCDWriteCmd（CMDLCDOFF）;
LCDWriteCmd（CMDOFF）;
LCDWriteCmd（CMDON）;
LCDWriteCmd（CMDLCDON）;
LCDWriteCmd（CMDB3C4）;
for（i=0;i<7;i++）
Seg_Buf[i]=Seg_Tab[16];
LCDWrite（）;
}
/////////////////////////////////////////////////
////////////////////////////////////////////////////////////////
/*PPL*/
////////////////////////////////////////////////////////////////
voidPLL_Init（）{
CLKSEL=0x00
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