基于開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)供電系統設計

摘要：文章采用單片機SPCE061A為主控芯片，以開(kāi)關(guān)電源芯片TD1507為核心，利用主從均流控制技術(shù)實(shí)現兩路穩壓電源構成的并聯(lián)供電系統。系統可通過(guò)高精度運放OP07的動(dòng)態(tài)調節實(shí)現自動(dòng)均流。此外，系統具有負載短路保護及自動(dòng)恢復功能、負載溫度檢測與散熱功能和液晶實(shí)時(shí)顯示功能。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;主從控制;并聯(lián)供電;大功率電源;DC/DC

0 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的應用領(lǐng)域日益廣泛。開(kāi)關(guān)電源是利用現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，直流開(kāi)關(guān)電源的核心是DC/DC轉換器。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。在大功率開(kāi)關(guān)電源中，通常采用多個(gè)單元并聯(lián)獲取大電流的方法獲取大功率。

1 系統方案論證

系統采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源單元并聯(lián)的方案實(shí)現兩路并聯(lián)供電系統，兩路模塊的額定功率均為16W，輸出電壓為8V。其框圖如圖1所示。

1.1 DC/DC變換電路方案

方案一：LM2596開(kāi)關(guān)電壓調節器

LM2596開(kāi)關(guān)電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A驅動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線(xiàn)性和負載調節特性。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為150KHz，與低頻開(kāi)關(guān)調節器相比較，可以使用較小規格的濾波元件。

方案二：TD1507降壓轉換器

該器件是一個(gè)易于使用的可調降壓開(kāi)關(guān)模式穩壓器。它提供了一個(gè)可調輸出版本，是驅動(dòng)負載能力為2.5A輸出電壓在1.23V到34V之間可調的出色線(xiàn)路負載調節器。降壓電路對外部組件數量要求低，穩壓器使用簡(jiǎn)單，包括內部頻率補償功能，和固定頻率振蕩器。

方案二外圍電路少，易于控制和實(shí)現，穩壓效果好，所以采用該方案。

1.2 電流電壓檢測與過(guò)流保護方案

本系統采用直測式霍爾電流傳感器，檢測通過(guò)負載的電流，并通過(guò)電壓變換電路反饋給單片機，單片機通過(guò)A/D轉換判斷電流范圍，從而確定并聯(lián)DC/DC模塊的輸出電流比。當檢測到電流信號超過(guò)設定安全值時(shí)，整個(gè)系統被切斷，以達到保證系統安全作用。

霍爾電流傳感器工作原理如圖2所示，原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量聚集在磁路中，并由霍爾器件檢測出霍爾電壓信號，經(jīng)過(guò)放大器放大，該電壓信號可精確地反映原邊電流。通過(guò)單片機A/D轉換，與設定值比較后可判斷系統工作模式，并判斷是否過(guò)流。

1. 3 均流方案

方案一：斜率法

斜率法是最簡(jiǎn)單的一種均流方法，其原理是利用電流反饋信號或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，從而達到均流。斜率法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線(xiàn)平均斜率及各模塊外特性的差異程度。但此方案在小電流時(shí)效果較差，隨著(zhù)負載的增加均流效果會(huì )有所改善。該法只適合應用于均流精度大于或等于10%的場(chǎng)合，很難達到5%的均流效果。

方案二：主從均流法

主從法的均流思想是在并聯(lián)系統中人為指定一個(gè)模塊為主模塊，直接接到均流母線(xiàn)，其余的為從模塊，從母線(xiàn)上獲取均流信號。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因為系統在統一的誤差電壓下調整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負載電流如何變化，各模塊的電流總是相等的。采用這種方法，精度很高，控制結構簡(jiǎn)單，模塊問(wèn)邊線(xiàn)較少，易于擴展為多路。

對于本系統中的兩個(gè)電源都采用DC/DC芯片設計，系統的不確定因素少，可靠性高;又主從均流法精確度很高，設計簡(jiǎn)單，成本低，所以采用方案二。

如圖3所示，當兩路并聯(lián)使用時(shí)，電路分為主從兩路，通過(guò)電流反饋控制技術(shù)實(shí)現自動(dòng)均流。使用精密采樣電阻采樣各路電流，再用高精度低失調電壓的精密運放集成電路OP07進(jìn)行放大。將主路儀放輸出端送到運放的同向端，從路儀放輸出端送到運放的反向端，運放的輸出端反饋從路反饋腳通過(guò)儀放放大，運放比較、反饋實(shí)現自動(dòng)均流。本電路是對各電流進(jìn)行比較，所以即使負載變化也能實(shí)現均流。

2 電路設計

2.1 主電路

系統主控模塊選用凌陽(yáng)的SPCE061A單片機。它功耗低，超小型，成本低，功能完整，非常適用于便攜式儀表和就地式顯示控制儀表，在國內越來(lái)越受到用戶(hù)的重視和廣泛應用。在本系統中，充分利用了該單片機的A/D、D/A轉換功能、配套液晶模組并設計了人機交互界面，系統主電路如圖4所示。

2.2 DC/DC轉換電路

本系統中使用了TD系列開(kāi)關(guān)電源芯片TD1507，電路如圖5所示。TD1507可將輸出電壓穩定在1.23V到43V連續可調。本系統中用此模塊將前端電壓轉換為8V穩定電源。兩路中元件應盡量一樣，續流二極管選用低壓降肖特基二極管。

圖中電感計算公式為：

公式中Kind=0.2，Fsw=500KHZ是開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。這里電感起儲能作用，電感量不能太小，太小會(huì )引起電感的磁飽合;電感量太大時(shí)電感上會(huì )有很大的銅損和鐵損，波紋峰-峰值計算公式為：

2.3 測控電路

2.3.1 電流電壓檢測及過(guò)流保護電路

本系統采用直測式霍爾電流傳感器ACS712檢測通過(guò)負載的總電流，并通過(guò)電壓變換電路反饋給單片機，單片機通過(guò)A/D轉換判斷電流范圍，從而確定并聯(lián) DC/DC模塊的輸出電流比例。當檢測到電流信號超過(guò)設定安全閥值時(shí)，整個(gè)系統將被切斷，以達到保證整個(gè)系統安全工作?；魻栐ぷ髟韴D如圖6所示。

2.3.2 溫度檢測控制電路

充分考慮到大功率負載在工作過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量熱量，如不及時(shí)散熱，可能影響系統性能甚至導致系統癱瘓。我們設計了溫度檢測與控制電路。及時(shí)檢測負載周?chē)諝鉁囟?，將溫度信息反饋給單片機處理。當系統過(guò)熱時(shí)及時(shí)散熱保障系統性能。

溫度控制系統由溫度傳感器DS18B20、繼電器和直流風(fēng)扇組成，如圖7所示。DS18B20接到單片機的一個(gè)I/O口上，由于單總線(xiàn)為開(kāi)漏，所以需外接 10K的上拉電阻。DS18B20收到單片機發(fā)送的時(shí)序命令就將采樣到的溫度信號發(fā)送給單片機處理。當單片機檢測到溫度超過(guò)安全值時(shí)，與繼電器相連的引腳輸出高電平驅動(dòng)電磁繼電器使直流風(fēng)扇通電，開(kāi)始散熱。

3 軟件流程圖

本系統軟件采用模塊化設計思想，主要有三個(gè)模塊：操作模塊、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)模塊。主流程圖如圖8所示。

4 總結

在額定輸出功率狀態(tài)下，系統輸出直流電壓穩定在8V±0.4V;兩路電源并聯(lián)供電，在各電流比例工作狀態(tài)下，每個(gè)模塊的輸出電流的相對誤差絕對值小于 5%。在額定輸出功率狀態(tài)下，供電系統的效率大于60%。具有負載短路保護及自動(dòng)恢復功能，保護閥值電流為4.5A。系統具有負載溫度檢測與散熱系統和液晶實(shí)時(shí)顯示電流、負載溫度、和電流分配模式等功能。