开关电源模块并联供电系统设计

陕西理工学院毕业设计第 I 页 共 IV 页开关电源模块并联供电系统的设计钟小军（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业，2008 级 082 班，陕西 汉中 723003）指导教师：龙光利摘要 为了将两个开关电源模块并联起来供电，设计了一种开关电源模块并联供电系统，它以 LM2596 开关调节器为核心组成开关电源模块，LM324 集成运放组成电流反馈网络，以 LM7812 和 LM7805 构成辅助供电模块。在 Proteus 环境下进行硬件仿真，通过后将有关元器件焊接在 PCB 板上，用多个 2/10W 的水泥电阻模拟负载，上电，输出电流在 4A 时输出电压在 8V 左右，可调节两个开关电源模块使它们输出电流之比为 1:1、1:2 和其它比例，转换效率可达 60%以上。关键词 开关电源；并联；电流；效率陕西理工学院毕业设计第 II 页 共 IV 页Design of switching power supply system in parallelZhong Xiaojun（Grade08,Class2,Major of Electronic and Information Engineering,School Of Physics and Telecommunicatons Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, Shaanxi）Tutor: Long GuangliAbstract: A switching power supply system in parallel has been designed for put two switching power supply work in parallel. The design with LM2596 switching regulator as the core components constitute switching power supply module, with LM324 integrated operational amplifier constitute current feedback network, with LM7812 and LM7805 constitute auxiliary power supply module. Using Proteus environment to simulation hardware. After successfully simulation, related components be welded in PCB board, imitated load with some 2/10W resistances and turning on power then output voltage is about 8V when output current is 4A.Two switching power supply module can be ajusted to make proportion of their output current to1:1、1:2 and so on. The efficiency of the system could be up to 60%.Key words: switching power supply; parallel; current; efficiency陕西理工学院毕业设计第 III 页 共 IV 页目录1 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 研究的目的和意义 .21.4 开关电源模块并联供电系 统的研究思路 .22 方案的论证和选择 .42.1 方案一：基于单片 机控制开关电源模块并联供电系统的设计 .42.2 方案二：基于 DSP 控制开关电源模块并联供电系统的设计 .42.3 方案三：基于差分 控制开关电源模块并联供电系统的设计 .52.4 方案的选择 .63 电路的设计 .73.1 DC-DC 模块 的设计 .73.1.1 DC-DC 模块的电路设计 .73.1.2 DC-DC 模块的 参数计算 .83.2 分流反馈模块的 设计 .103.2.1 分流反馈模块的电路设计 .103.2.2 分流反馈模块电路参数计算 .113.3 辅助供电电路的设计和参数计算 .124 Proteus 仿真与制作 .134.1 Proteus 仿真 .134.1.1 分流反馈模块的仿真调试 .134.1.2 辅助供电模块的仿真调试 .14陕西理工学院毕业设计第 IV 页 共 IV 页4.1.3 过流保护模块的仿真调试 .154.2 开关电压模块并联供电系统的制作与测试 .154.2.1 DC-DC 模块的制作 .154.2.2 分流反馈模块的制作 .164.2.3 辅助供电模块的制作 .164.3 系统总体电路的组装与测试 .164.3.1 系统的总体组装 .164.3.2 系统的测试与数据分析 .184.3.3 方案改进分析 .21结束语 .22致谢 .23参考文献 .24附录 A 英文文献原文 .25附录 B 英文文献译文 .34附录 C 系统电路总图 .41附录 D 元器件清单 .42陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 42 页1 绪论1.1 课题研究背景随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛地应用到计算机系统、工业仪表、航天、军事等领域，涉及到各个行业，各种电子设备对电源的稳定性、功率等各项性能都有了更高的要求。普通的线性电源以及满足不了需要。自六十年代第一台开关电源诞生以后，开关稳压电源就以其功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、电路形式灵活多样等优点，迅速在很多应用领域受到青睐1。而中国在 1973 年才开始这方面的的研究，起步较晚，而且主要在小功率单端变换器方面发展较快。在开关电源模块并联供电的分布式电源方面的发展与国外有较大的差距。1.2 国内外研究现状近年来，随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，使通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等方面都取得了长足的进步。目前，开关电源以高效率、体积小和重量轻的特点别广泛应用于以计算机为主导的各种通信终端设备和大部分的电子设备。开关电源早已成为当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。目前市场出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的 100kHz、用 MOS-FET制成的 500KHz 电源虽然已经实用化，但是频率还需要进一步提高。因此就需要减少开关损耗，需要高速开关元器件，同时需要减，电路中的分布电感、电容或二极管中存储的电荷因高速开关影响而长生的浪涌或噪声。开关电源的即直流-直流变换器，其原理是通过高频信号控制开关功率器件的导通与断开，再加上相应的滤波、反馈电路实现直流-直流的变换 2。自六十年开始，国内外对开关电源的电源越来越热，在各种不同的开关电源拓扑结构上均有研究 3。开关电源最基本的类型有串联和并联型 4。串联式开关电源属于降压型，而并联式开关电源属于升压型。开关电源更多详细的拓扑形式有 Buck 电路、Boost 电路、Buck-Boost 电路、单激式变压器开关电源、正激式变压器开关电源、反激式变压器开关电源、双激式变压器开关电源等 5。国内外这些年在开关电源方面的研究中取得了不少成果，解决了不少开关电源设计中的问题。首先就是开关电源拓扑结构的选择。这要根据输入输出电压和功率来选择。比如对于高压输入，大功率输出的开关电源应选用反激式或双激式变压器开关电源结构，这样能使系统达到更高的一个稳定性 6。效率一直是电源设计必须考虑的一个问题。对于以高效率著称的开关电源更要考虑转换效率。爱德华多彭佐尼在200-mA,93%效率的单电感，双输出降压型 DC-DC 变换器 7中，使用自动衬底偏置开关技术减少了 P 沟道输出功率管的功耗从而设计出 93%高效率电源。在大功率开关电源中提高开关频率也是提高效率的一种方式 8。以往很多人都是是采用提高频率这一方法来提高效率。要在输出 4A 电流的开关电源中提高效率不仅仅要降低开关功率的损耗，还有续流二极管损耗、电陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 42 页感损耗都要考虑进去。采用高效率续流二极管或者用 MOS 管代替续流二极管，用合适的磁芯制作合适的电感是提高 Buck 型变换器效率的有效方法。还有就是电磁兼容 EMC 和 EMI 也是开关电源设计考虑的重点。EMC 性能的好坏直接影响电源的性能，甚至会影响供电对象的正常工作。水冰在开关电源的 EMC 设计中提出了 EMC 设计的几种有效方法。她主要从屏蔽、滤波、PCB 设计等方面的注意事项方面着手提高开关电源的电磁兼容特性 9。她那里讲述的方法可以说非常好，那样做可以做到很好的电磁兼容性。EMC 的兼容设计可以从滤波和屏蔽两种方式入手。滤波主要是滤波电容参数的选择要正确，屏蔽是提高 EMC性能主要手段，布线布局敏感信号用地线屏蔽，大电流信号和小电流弱信号用地线隔离。这些是经济实用的电磁兼容方法。开关电源的 EMI 的设计和 EMC 差不多，讲究的是滤波和屏蔽方式。冯艳斌在开关电源 EMI滤波器设计 10中提出了一种二阶无源 EMI 滤波器，并且用 Pspice 软件对其进行了仿真。这里可以采用最简单的隔离法实现 EMI 设计，在布线的时候高频、大电流部分用地包围，并且在电路板的外围全部用地隔离，这样大部分的电磁辐射都会耦合到地线流入到大地。最后的并联均流就是并联供电系统的重点问题了。在这之前有不少人都对开关电源并联均流做过相关研究，并提出了不少有效方法，解决了并联均流的一些问题。朱文武在Buck 变换器的非线性现象及并联同步均流研究 11中建立混沌力学离散模型用滑模控制方式控制多个并联模块的输出特性一致，解决了非线性问题，实现了均流功能。李若思在并联 Buck 变换器均流电感接入方式的仿真研究中 12采用在并联模块中加入电感的方法达到均流目的。该方法从根源入手，通过加入电感改变由于开关管导通时间不同而造成输出特性不一致的问题，能够实现比较精确的均流。综合考虑到工艺水平，硬件条件以及动态均流等，在并联均流方面还是应该考虑使用软件强迫动态均流或者通过硬件反馈模块改变输出达到动态均流。1.3 研究的目的和意义随着电子技术的发展，对电源的稳定性、效率和体积都有了更高的要求，开关电源以其优越的特性受到欢迎，但是受构成开关电源半导体功率器件、磁性材料等自身性能的影响，传统开关电源的功率还是有限的，而各种电子装置对电源功率的要求越来越高，因此迫切需要新的技术解决这个问题。将多个开关电源并联运行，采用电源均流技术能够将负载平均地分配给各个电源模块，大大地提高了电源的功率。特别是对于体系庞大的计算机系统，需要小电压，大功率，高稳定性、体积小的电源，只有开关电源并联供电才是最合适的。当需要大功率输出时，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“积木式”智能化大功率供电电源。这样做既大大的减轻了对大功率元器件和装置的研制压力，同时采用开关电源并联均流技术使得每个变换器只需处理较小功率，降低了电源的负荷，提高了系统的稳定性和使用寿命，还可以将电源的开关频率提高到一个新的高度，从而提高了模块的功率，使电源的重量、体积降下来。因此开关电源并联供电技术的优越性和重要性是很明显的。1.4 开关电源模块并联供电系统的研究思路这里设计了一种开关电源模块并联供电系统，整个设计过程以理论计算为基础，配合使用陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 42 页Proteus 仿真验证设计的各个模块电路，最后分模块制作并测试然后就是总体系统的制作并进行系统性能的测试。设计和制作过程中主要使用了 Altium Designer 电子设计软件、Proteus 电路仿真软件，数字直流电源和数字万用表等工具。论文分为四个部分： 绪论部分。主要讲了课题的研究背景，国内外的研究现状，研究的目的和意义以及这次设计的研究思路。 方案的论证和选择。主要就开关电源模块并联供电系统的设计提出了几种可行的方案，并分析它们之间的优缺点，最后选择一种最合适的设计方案。 电路的设计。主要设计了各个模块的电路和计算具体的参数。 电路的 Proteus 仿真和制作。主要在 Proteus 环境下对设计的各个模块电路进行仿真，验证设计的正确性，然后各个模块的实物制作和测试，最终完成系统的总体焊接制作并且测试其性能。陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 42 页2 方案的论证和选择开关电源模块并联供电系统的方案选择主要针对控制方式的选择和 DC-DC 部分拓扑结构的选择。控制方式有单片机控制、DSP 控制和硬件反馈网络控制。DC-DC 部分是 Buck 结构，主要有同步Buck 电路和异步 Buck 电路。就此提出了三种方案。2.1 方案一：基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计框图见图 2.1 所示。单片机 异 步 DC-调 节 器异 步 DC-调 节 器 输 出 滤 波输 出 滤 波 电 流 采 样电 流 采 样 电压采样数 字 电 位 计数 字 电 位 计辅 助 供 电 模 数 转 换 Vo 8VVin 24V 负载图 2.1 基于单片机控制开关电源模块并联供电系统的设计框图核心控制部件为单片机，DC-DC 部分是内部集成有开关器件的异步 DC-DC 电压调节器，输出信息采集主要由模数转换完成。其工作原理为：24V 电压输入异步 DC-DC 调节器中，异步 DC-DC 调节器输出经过电容电感滤波之后输出。电流采样模块采集每个并联支路的电流并由模数转换器转换成数字数据传送到单片机，输出电压也经过采样后通过模数转换器件转换并传送到单片机。单片机接收到输出电压电流信息后经过程序进行一系列的运算处理，然后控制数字电位计的阻值大小。异步 DC-DC 电压调节器的反馈是输出电压经过数字电位计分压后输入的，通过单片机控制数字电位计的大小可以改变电压反馈的分压比，从而改变输出。程序处理过程为：检测到输出电压小于或大于 8V，同时单片机控制增大两个数字电位计的阻值，同时增大或减小两路的输出。当检测到某一支路电流大于设定比例电流是，则单片机控制减小该支路数字电位计的阻值，同时增大另外一支路数字电位计的阻值。2.2 方案二：基于 DSP 控制开关电源模块并联供电系统的设计基于 DSP 控制开关电源模块并联供电系统的设计框图如图 2.2 所示。用 DSP 作为核心控制器件，用同步 PWM 控制器、开关功率管输出滤波电感电容组成同步 Buck DC-DC 模块，电压电流采样电路加上数模转换器组成输出电压电流信号采集模块。其工作原理为：24V 直流电压输入开关功率管，由 DSP 控制同步 PWM 控制器输出两个频率一致，相位相反的占空比可调方波信号，由这两组 PWM 信号分别控制开关功率管的导通和断开，由导通和断开的时间比控制输出电压。接地的那一个开关管是替代异步 Buck 电路中续流二极管的作用，当主功率管断开时，电感释放能量给给负载供电，这时下面那个开关管导通构成电流回路。两个电流采样电路分别对每个同步 Buck DC-DC 支路电流采样，然后由模数转换器转换成数字信号送到 DSP陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 42 页处理。再通过一个电压采样电路采集输出电压信号再转换成数字量后送到单片机处理。DSP 接收到输出电流电压信号后经过一系列的运算处理后控制两个支路的同步 PWM 控制器调节输出方波信号的占空比从而改变各个 DC-DC 支路的输出。辅助供电模块负责给各个模块电路供电和提供标准参考电压。程序调节的过程和上一个方案基本一样，不同的地方是这里是直接控制同步 Buck PWM 控制器改变输出方波占空比从而调节输出电压的。 DSP同 步 PWM控 制 器同 步 PWM控 制 器 开 关 功 率 管开 关 功 率 管 输 出 滤 波开 关 功 率 管开 关 功 率 管 输 出 滤 波 电 流 采 样 电压采样电 流 采 样模 数 转 换 器 件辅 助 供 电Vin 24 Vo 8V负载图 2.2 基于 DSP 控制开关电源模块并联供电系统的设计框图2.3 方案三：基于差分控制开关电源模块并联供电系统的设计基于差分控制开关电源模块并联供电系统的设计方案如图 2.3 所示。DC-DC-Vin 24V 差 分 放 大 1差 分 放 大 2FB1FB2 差分运算辅 助 供 电自 恢 复保 险 管 Vo 8V输 入 模块 负载图 2.3 基于差分控制开关电源模块并联供电系统的设计框图核心部分是异步 Buck DC-DC 电压调节器。调节器内部集成有 PWM 控制器和开关功率管。用它设计 DC-DC 模块只需要 4 个外接元件。两个 DC-DC 模块一个作为恒流源，一个作为恒压源。恒流源主要按比例控制输出电流。 ，恒压源主要讲输出电压稳定在 8V。然后就是差分电路组成的硬件反馈网络是核心控制模块，它主要控制两个开关电压模块输出电流的比例，以一个自恢复保险管完成过流保护的设计。辅助供电对各个模块电路提供电源和对差分运算电路提供一个参考电压。工作原理是：24V 直流电源输入到两个 DC-DC 模块，1 模块输出，经过采样电阻将电压输出，同时在电压输出端直接将输出电压反馈到 DC-DC 模块，如果输出不是 8V 则在内部调节占空比，改变输出电压。2 模块输出则直接通过一采样电阻输出。每个模块支路输出电流通过采样电阻转换成电压之后，经差分放大器放大，然后将这两个放大后的信号输入到差分运算电路，求出两支路流过电流的差，将这个差值偏置一个电压后反馈到恒流源 DC-DC 模块中，从而改变恒流源的输出。输入陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 42 页模块可以是拨码开关，通过它控制差分放大 1 的放大倍数，从而改变模块分配电流比例。当恒流源模块输出电流小于设定的比例时，差分输出的值是小于参考值的，从而通过内部增大占空比提高恒流源的输出，这样一直到输