程控開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統的設計與試驗

摘要：為降低大功率開(kāi)關(guān)電源設計時(shí)功率器件的選擇、開(kāi)關(guān)頻率和功率密度的提高所面臨的困難，改善單電源供電的可靠性，設計并制作程控開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統。系統由2個(gè)額定輸出功率為16 W的8 V DC／DC模塊構成的程控開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統。以STM32F103微控制器為核心芯片，通過(guò)程序控制內部DAC調節PWM主控芯片UC3845的反饋端電壓，使DC／DC模塊輸出電壓產(chǎn)生微小變動(dòng)，進(jìn)而可調整DC／DC模塊的輸出電流并實(shí)時(shí)分配各DC／DC模塊的輸出電流，軟件采用PI算法。試驗表明，系統滿(mǎn)載效率高于80．23％，電流分配誤差最大為1．54％；電源輸出在1 s內快速達到穩態(tài)；系統以4．5 A為閾值實(shí)現過(guò)流保護和自恢復功能。
關(guān)鍵詞：程控；開(kāi)關(guān)電源；并聯(lián)供電；DC／DC模塊

隨著(zhù)設備對電源的要求越來(lái)越高，采用單臺電源供電，變換器需要處理巨大的功率，并且電應力大，給功率器件的選擇、開(kāi)關(guān)頻率和功率密度的提高帶來(lái)困難。并且一旦單臺電源發(fā)生故障，則導致整個(gè)系統崩潰。分布式電源系統取代傳統的集中式電源系統早已經(jīng)成為電力電子學(xué)新的研究熱點(diǎn)，這是因為分布式電源系統利用多個(gè)中、小功率的電源模塊并聯(lián)，形成的電源系統可以通過(guò)改變并聯(lián)模塊的數量來(lái)滿(mǎn)足不同功率的負載，每個(gè)模塊承受較小的電應力，使得電源保持較高的效率和較快的動(dòng)態(tài)響應。還可以應用冗余技術(shù)，提高了系統的穩定性，并且容量可根據需求任意擴展。同時(shí)可將模塊的開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級，從而提高模塊的功率密度使電源系統的體積、重量下降。因而，開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電技術(shù)的重要性日益顯現，并聯(lián)供電技術(shù)已成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。文中針對開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電及按照用戶(hù)設定比例自動(dòng)分流方案進(jìn)行了研究與試驗。

1 系統結構及硬件電路設計
系統以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括DC／DC同步整流模塊、PWM發(fā)生器UC3845、減法電路、電流檢測、電壓檢測、液晶與鍵盤(pán)等電路，系統總體方案如圖1示。

1．1 PWM發(fā)生電路
通過(guò)高性能固定頻率電流模式控制器UC3845產(chǎn)生PWM信號，作為開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號。電路如圖2所示。其中，FB是電壓反饋控制段，EN是芯片使能端。

1．2 DC／DC降壓電路
采用高壓MOS管驅動(dòng)芯片IR2110驅動(dòng)NMOS管，采用低壓差的肖特基管作為續流二極管，通過(guò)INA169檢測DC／DC的電流，降壓電路如圖3所示。

2 主要軟件設計
系統通過(guò)對電流、電壓信號進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)PI運算后，調節微控制器的兩路DAC輸出模擬電壓，分別控制兩個(gè)DC／DC模塊的輸出電壓，實(shí)現輸出電流的動(dòng)態(tài)分配。軟件主要包含電壓電流的ADC采樣、DAC輸出、PI算法、液晶顯示等功能。通過(guò)STM32F103內部高精度12位ADC檢測電壓，INA169檢測電流，再將所檢測的電壓、電流信號反饋至微控制器的輸入端。ADC采樣使用四通道循環(huán)連續采樣模式，采樣數據以DMA方式自動(dòng)轉移到片內存儲器中，采樣過(guò)程無(wú)需CPU干預，ADC采樣速率為1000次／s。過(guò)流保護及自動(dòng)功能的實(shí)現是基于STM32F103內部的ADC通道自帶模擬看門(mén)狗功能，對總電流對應的ADC通道設定模擬看門(mén)狗功能，當輸出電流超出設定值4．5 A時(shí)，觸發(fā)模擬看門(mén)狗中斷，相應I／O口輸出高電平，禁止UC3845的PWM輸出，系統進(jìn)入保護狀態(tài)，設定每隔3 s重復嘗試啟動(dòng)，當檢測到系統輸出電流低于4．5 A，相應I／O口輸出低電平過(guò)流解除，系統恢復正常，實(shí)現過(guò)流保護和自恢復功能。系統軟件中，PI算法實(shí)現過(guò)程如下。

如圖4所示，PI算法主要實(shí)現兩個(gè)DC／DC模塊輸出電流的控制，系統通過(guò)對兩個(gè)DC／DC模塊的輸出電流進(jìn)行采樣，控制兩個(gè)DC／DC模塊輸出電流按給定比例輸出。當DC／DC模塊1的電流I1和DC／DC模塊2的電流I2設定比例為I1：I2=k1：k2時(shí)，要求I1xk2-I2xk1=0，所以設定PI的目標值為0，系統反系統反饋為I1xk2-I2xk1。PI調節器輸出信號控制兩個(gè)DC／DC模塊逆向調節，實(shí)現對各DC／DC模塊輸出電流的控制。

3 系統測試與測試結果
系統測試參數分布示意圖如圖5所示。將24 V直流電壓通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的DC／DC模塊降壓至8 V，調整負載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0± 0.4V，使負載電流Io在1．5～3．5 A之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流可在(0．5～2．0)范圍內按指定的比例自動(dòng)分配，以及使兩個(gè)模塊輸出電流之和Io=4．0 A且按I1：I2=1：1模式自動(dòng)分配電流。

3．1 滿(mǎn)載輸出電壓和效率
測量方法：在U0=8±0．4 V滿(mǎn)載情況下，用3位半精度的萬(wàn)用表測量電壓，試驗數據如表1所示。

試驗結果表明，調整負載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，當輸出功率為31．56～33．11 W，系統直流輸出電壓范圍為7．89～7．99 V，最低效率為80．23％。
3．2 電流定比例輸出相對誤差測試
保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，任意設定系統輸出電流I0分別接近1．00 A和4．00 A，I1：I2按1：1分配、設定總電流I0為1．50 A、1．61 A且I1：I2=1：2模式電流分配，通過(guò)2個(gè)3位半萬(wàn)用表測2個(gè)DC／DC輸出電流，試驗數據如表2、表3所示。

試驗結果表明，使兩個(gè)模塊輸出電流T1：I2按1：1模式自動(dòng)分配電流，相對誤差最大為0．49％，當總電流I0為1．06 A和9．60 A時(shí)，可能由于萬(wàn)用表精度偏低，相對誤差計算為0．00％，但可以確定相對誤差一定小于0．01％。當總電流為1．61 A和1．50 A，I1：I2按1：2分配時(shí)，相對誤差最大為1．24％。
3．3 電流不定比例輸出相對誤差測試
保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，任意設定總電流I0分別為1．5 A、2 A、2．5 A、3 A、3．5 A，各按照I1：I2為1：1、1：2、2：1的3種比例輸出，試驗數據如表4所示。

從表4可知，使負載電流I0在1．5～3．5 A之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流可按指定的比例自動(dòng)分配，各按照1：1、1：2、2：1的3種比例測試，相對誤差最大為1．54％。
3．4 過(guò)流保護功能測試
系統設定保護電流閾值為4．5 A(調試時(shí)允許有±0．2 A的偏差)。調節負載電阻，記錄系統進(jìn)入保護狀態(tài)時(shí)以及從保護狀態(tài)恢復時(shí)的輸出電流。試驗數據如表5所示。

試驗結果表明，輸出電流大于4．5 A時(shí)，系統進(jìn)入過(guò)流保護狀態(tài)，當電流降到4．5 A以下時(shí)，系統恢復。偏差在0．02 A范圍內。

4 結論
程控開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括DC／DC同步整流模塊、PWM發(fā)生器UC3845、降壓電路、電流電壓檢測、液晶與鍵盤(pán)等電路，軟件采用PI算法。試驗表明，保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，系統輸出總電流在1～4 A范圍內變化時(shí)，任意設定兩個(gè)DC／DC模塊輸出電流I1與I2的比值，電流分配誤差最大為1．54％；在滿(mǎn)載輸出時(shí)，系統效率高于80．23％；設定系統過(guò)流保護閾值為4．5 A，具有過(guò)流保護與自恢復功能。