开关电源模块并联供电系统(A 题)106-15安平凹.doc

开关电源模块并联供电系统（A 题）摘要：本系统基于PWM调制原理、高频开关电源并联系统的均流原理，以MSP430F149和CPLD为控制核心，利用电压电流检测电路、高精度A/D采样芯片获取输出电压电流值，对双路并联同步整流Buck变换器闭环控制。实现了输出稳压、输出电流可按设定比例分配、可根据负载变化自动调整两路输出负载电流比例、短路保护等功能。系统转换效率高、输出电流电压精度高、调节速度快、采样显示输入输出电压电流值精确，键盘输入控制，人机交互友好。关键字：同步整流Buck，并联供电，均流1 方案论证1.1 DC/DC模块类型选择方案一：采用同步整流Buck变换器同步整流变换器原理图如附图1所示，用Mosfet代替肖特基二极管作为续流管，由于Mosfet相对于肖特基二极管导通损耗、开关损耗较小（尤其在大电流应用场合），故同步整流Buck相对于普通Buck变换器效率高，但增加了一路Mosfet驱动，控制较复杂。方案二：采用反激变换器反激变换器结构简单，输入输出电气隔离，输出电压纹波较大，变换器涉及高频变压器设计制作，较为复杂，反激变换器如附图2所示。综合考虑，选择方案一作为本系统DC/DC模块设计方案。1.2 系统控制方案选择系统中控制器主要负责输出PWM波，采集和显示数据，并根据数据调节PWM波占空比，运算精度高、要求速度快、性能稳定。有以下两种方案：方案一：采用51单片机与FPGA结合的方式。采用51单片机为核心,能够实现对外围电路的智能控制,FPGA内部资源丰富可灵活进行数字逻辑电路设计。但 89C51为8位单片机,运算精度不高并且其指令周期较长。方案二：采用MSP430系列单片机与CPLD结合。MSP430为混合信号16位低功耗单片机，其指令周期短，可达到较高运算精度，但CPLD资源现对较少。考虑到本系统程序工作量不大，对运算精度要求高，故采用MSP430系列16位单片机与资源相对较少的CPLD结合。2 系统整体设计2.1 系统方案及框图系统由双路同步整流Buck变换器、控制检测电路、CPLD组成，系统框图如图2.1所示。图2.1 系统框图要求设计制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统，本系统采用两路同步整流Buck变换器并联输出。双路变换器，电压电流检测电路、MSP430F149、CPLD组成闭环控制电路。单片机获取输出电压、电流值控制CPLD使输出PWM信号，实现对双路变换器输出电压电流闭环控制。由于MSP430F149系统时钟频率（本系统使用16MHz）不够高，利用单片机产生的PWM最小步进较大，不能实现输出电压电流细调。故采用时钟频率较高的CPLD（在本系统中CPLD时钟频率为（100MHz）产生可脉宽可微小步进的PWM信号，实现对输出电细调。3 理论分析与计算3.1 DC/DC变换器稳压方法本系统DC/DC变换器为同步整流Buck变换器， Buck电路工作在电感电流连续模式、临界模式、断续模式。在电感电流连续模式、临界模式下有，在电感电流断续模式下， ，其中。Buck工作在电感电流不同状态下其输入输出电压受占空比控制。故可通过构建电压环控制环，实时反馈输出电压值，调整占空比使输出电压稳定在预设值，控制环路如附图3所示。3.2 电流电压检测系统要求输出电流范围较大，总最大输出电流为4.5A，单路输出最大电流为2.25A，要求输出电流精度为2%（基本要求5%），在设定单路输出电流为0.5A时需精确到10mA。为达到较高电流测量精度，需将采样电阻电压尽量放大，在系统电流检测电路设计中，统一选取采样电压放大倍数为50倍。设定单路输出最大电流2.5A（取一定余量）时，电流检测电路输出电压为4.5V，检测电路放大倍数为50，采样电阻，则电流变化值时，输出采样电压。设定总输出电流为5A（取一定余量）时电流检测电路输出电压为4.5V，选取检测电路放大倍数为50倍则采样电阻。输出电压在8V左右，变化范围小故电压常规检测采用电阻分压法检测输出，设定输出电压为8V是电阻分压输出电压为3.5V，分压比。3.3 均流方法本系统再用外加均流控制均流法，用单片机检测两并联模块电流分配情况，分别调整两个DC/DC模块PWM占空比，使两路DC/DC输出电流安分配比例输出。系统输出额定电压，要求系统在不同负载情况下自动调节使电流按比例输出，故采用检测负载电阻大小，计算出当前负载电阻条件下8V输出电压时输出电流I1、I2大小，单片机调节变换器PWM控制信号占空比使两路输出电流分别为I1、I2。设当前电压值为，当前输出电流为，负载电阻，在当前负载电阻情况下,要使输出电压为8V，则输出总电流又知当前负载电阻大小时设定的输出电流比，故当前条件下的目标输出电流值。故可通过调节PWM信号占空比使输出电流，系统实时检测R的大小，调整输出电流值使两路电流安设定比例分配，并且最终使输出电压稳定在8V。3.4 过流保护过流保护采用软件保护方式，系统输出电压稳定在8V左右，输出电压和电流关系为。当时，系统实时检测输出电流大小，当时，判定为过流模式，此时关断PWM信号使输入输出断开。断开后程序延一段时间，再以极低占空比输出PWM（系统采用3%）检测输出负载电阻大小，若则系统保持3%占空比输出，持续检测负载电阻大小。只有当时，再进入自动调节模式，这里取一定的迟滞量有利于提高系统稳定性防止在时反复动作。4 电路设计4.1 主电路设计主电路为双路同步整流Buck变换器并联，变换器由输入滤波电容、半桥驱动器UCC27201、IRF3205半桥、输出LC滤波器组成主电路原理如图4.1所示。UCC27201为高频（可达1MHz），3A驱动能力，高自举电压（120V）Mosfet半桥驱动器，可满足与本系统应用要求。半桥Mosfet采用IRF3205，具有低导通电阻，有利于提高变换器效率。图4.1 主电路原理图4.2 测控电路设计（1）电流检测电路设计图4.2电流检测电路电流检测采用高边电流检测方式，用专用集成芯片INA282，它具有宽共模电压输入范围（-1480V），50倍固定增益，应用电路简单。检测最大电流值较大（单路最大电流2.25A，总电流4.5A），故选择Rs为低温漂的康铜丝作为采样电阻。电流检测电路如图4.2所示（2）A/D采样电路设计图5.1 软件流程图采用ADS1256对输出电压、电流进行采样，电路如附图4所示。ADS1256是TI公司推出的微功耗、高精度、8通道24位型模数转换器，该器件内部集成有输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器和可编程数字滤波器。可灵活滤除频率稳定的开关噪声，抗干扰能力强，采样精度高。5 系统软件设计要求除负载电阻为手动调整，以及调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使负载电流IO 在1.53.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.52.0）范围内按指定的比例自动分配，由手动设定电流比例外，其他功能的测试过程均不允手动干预。系统采用检测输出负载电阻大小，判断输出电流比例，并计算目标电流值，通过调整PWM使输出电流达到目标电流值。软件流程图如图5.1所示。6 系统测试与分析6.1 测试仪器数字万用表：型号 FLUKE 45dual6.2 测试框图图6.1 系统测试框图6.3 测试表格调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使两个模块输出电流之和IO =1.0A 且按I1:I2=1:1，即设定I1=0.5A，I2=0.5A，I1、I2相对误差绝对值表6. 1IO（A）I1(A)I2(A)UO(V)（%）（%）测试条件：调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使两个模块输出电流之和IO =1.5A 且按I1:I2= 1:2，即设定I1=0.5A，I2=1A，I1、I2相对误差表6.2 IO（A）I1(A)I2(A)UO(V)（%）（%）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使负载电流IO 在1.53.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.52.0）范围内按指定的比例自动分配，令I1:I2= 1:n，I1、I2设定值为，I1、I2相对误差绝对值。表6.3 设定比例IO（A）I1(A)I2(A)UO(V)（%）（%）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.00.4V，使两个模块输出电流之和IO =4.0A 且按I1:I2=1:1 模式自动分配电流，即设定电流I1=2A，I2=2A。I1、I2相对误差。表6.4 IO（A）I1(A)I2(A)UO(V)（%）（%）效率测试：额定功率输出情况下UIN=24V，输入电压输出电压UO=8.00.4V，I1=I2= 2A，效率。表6.5 UIN(V)IIN(A)I1(A)I2(A)UO(V)IO（A）效率总结参考文献 1正文（楷体_GB2312，小四）【1】 Abraham I.Pressman，Keith Billin