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2011年全国大学生电子设计竞赛 开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】2011年9月3号摘 要 开关电源是控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET。在实际运用中由于一个开关电源的电流、功率等因素不能满足要求，因此需要进行电源模块的并联。但是随着电源输出参数的扩展，简单的并联方式不能完全保证整个扩展后的电源稳定可靠工作，此时均流技术(即各个模块间合理分配负载电阻，以防止一台或多台变化器运行在电流极限值状态)的引进大大提高了系统的可靠性。本设计控制电路以UC3525为核心，构成电流内环、电压外环的双闭环控制模式，并且对电压、电流环采用PI调节来实现双开关电源模块并联供电系统。关键词：开关电源、电源并联技术、并联均流技术，双环控制，PI调节 开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】1. 系统方案本电路主要由DC/DC模块主回路、并联均流电路及其外部控制模块、微机控制显示模块、电源模块、保护电路组成，下面分别论证几个重要模块的选择。1.1. DC/DC主回路的论证与选择方案一：全桥式拓扑电路。 全桥式变换电路是目前逆变电路中使用最为常见的一种，该变换电路共有4个桥臂，可以看成2个半桥电路组合而成。2对桥臂交替导通，输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，其幅值高出半桥变换电路1倍。改变直流电压E就可改变输出交流有效值，输出功率大。 由于变压器Tr磁芯工作在磁滞回路两侧，在开关器件饱和压降和开关时间不相同，将会造成变压器中正负半周期磁通的不对称，从而引起偏磁现象，最常见及通用办法是在变压器Tr原边回路中串接一个隔直电容Cr，以此来抑制变压器原边非纯交流电压中直流分量。由于变压器原边绕组电阻小，在多个循环之后，即可造成磁饱和。方案二：半桥式拓扑电路。 在半桥式变换电路输入端串接电容C1、C2且C1=C2以便当两个开关器件VT1、VT2均截止时，VC1=VC2=1/2E，VA=1/2E，VB=1/2E，VAB=0，保证开关器件均为截止时所受耐压相同和均衡（输入电压一半）。VD1、VD2起到反馈和续流作用，变压器副边电路由VD3 和VD4构成全波输出整流，L、C3构成输出滤波电路。 半桥式变换电路开关管上最高电压等于输入电压，比推挽电路低一半。开关管关断过程中，变压器漏感引起的电压尖峰被二极管钳位，因此开关管的最高电压不会超过输入电压。由于变压器原边绕组上的方波电压幅值只是电源电压的一半，影响其功率输出，所以半桥式变换电路不适合输出功率较大的场合。但半桥式电路具有电路简单，使用器件少，尤其具有抗不平衡能力强的特点，因此在中小功率场所得到了广泛应用。方案三：推挽式电路。 推挽式变换电路其实由两个相位相反的正激变换电路叠加而成，相当于两个正激电路交替工作，且两个开关管交替导通和截止，并在各自导通的半个周期内把能量分别通过变压器Tr传递给负载。该变换电路主要由VT1、VT2以及并联至开关管的二极管VD1和VD2 组成输入端，经变压器Tr，在输出端由整流二极管VD3、VD4与输出滤波电感和电容组成。 推挽电路中开关器件的耐压是输入电压的2倍，工作是随着开关管的开通和关断、变压器原边绕组交替工作, 与半桥和全桥变换电路相比，变压器利用率低，而且输出电压随输入电压和负载变化而变化。因此在输入电压高时，一般不宜采用这种变化电路。与单端变换电路相比较，推挽电路的优点是输出功率大，输出滤波电感可减小，两组开关驱动脉冲Vg1、Vg2不需隔离，控制简单。分析比较上述三种方案之后，根据我们的实际情况，这里我们选择推挽式电路。1.2并联供电技术对并联技术的方法说明：(1)输出阻抗法或称下垂均流法； 下垂法全称外特性下垂法，也叫做斜率控制法。在并联电源模块系统中，各个电源模块是独立工作的。每个模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节Vo=f(Io)的斜率，从而调节输出电流。其工作原理图如图3所示。 图3 下垂法工作原理图 Ri为任一并联模块输出电流Io的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号Vi，Vf为输出电压反馈，Vr为Vi与Vf的和，Vg为控制基准电压（5V），Ve为误差电压。当某一模块输出电流Io偏大时，电压与电流反馈合成信号Vr=ViVf增大，与Vg进行比较后，使Ve减小，Ve反馈回电源模块的控制部分，使该模块的输出电压Io下降，则Io减小，即Vo=f(Io)外特性下调。每个模块各自调整自己的输出电流，就可以实现各模块的并联均流。 这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制。缺点是调整精度不高，每个模块必须进行个别调整，如果并联的模块功率不同的话，容易出现模块间电流不平衡的现象。(2)主从均流法： 主从均流法是将并联的多个电源模块中的一个作为主模块，其他模块跟随主模块工作。具体工作过程是：主模块的工作电流与输出反馈信号进行比较，将差值信号反馈回各电源模块（包括主模块和从模块）的控制电路，从而调节各模块的输出电流大小。 如图4所示，设模块1为主模块，其输出电流的采样电压为V1，其他模块输出电流的采样电压为Vn。当某一模块输出电流偏大时，相应的Vn增大，与V1比较，得到的Ven减小，反馈给该模块的控制电路中，减小其输出电流，从而实现均流。 图4 主从均流法工作原理图 主从模块法的优点是不须外加专门的控制电路。其缺点是，各个模块间需要有通信联系，连线比较复杂；其最大缺点是，一旦主模块出现故障，则整个电源系统将崩溃，所以，不能用于冗余结构中。 (3)平均电流自动均流法；(4)最大电流自动均流法：(5)外部电路控制法。 外部电路控制法就是在各并联电源模块之外，加一个专门进行并联均流控制的外部模块，如图7所示。 图7 外部电路控制法工作原理图 每个模块的输出电流采样，转化为电压信号，与给定的电压Vcc进行比较，所得差值输入到各电源模块的控制部分，这样就可以实现各模块输出电流的并联均流。 这种工作方式，需要外加专门控制器，加大了投资，而且控制器与个电源模块要进行多路连接，连线较复杂，但是均流效果非常好，各模块输出电流基本相等。 1.3控制方法方案三种基本类型：单回路电流控制；电流电压串级控制；电流电压串级比例控制。大家自己查找相关资料进行分析说明。2. 系统理论分析与计算2.1 DC/DC模块的分析自己查阅资料DC/DC的原理，变压器参数计算，MOS管的选择，整流管的选择等等。一变压器参数计算推挽变换器的高频变压器如图3中所示，原边和副边的绕组都分别有一个中心抽头。磁心参数选择如下：变压器输入电压幅值Up1=24V，直流输出电压5V，串联二极管串联压降取06V，所以次级绕组电压幅值Up2取56V，最大工作比=045，次级绕组峰值电流Ip2=1 A，次(变压器效率取为1，这个效率不包括整流二极管在内)，取工作磁感应强度Bm=170mT，电流密度j取48Amm2，铜在磁心窗口中的占空系数Km(初选时取0203)，实际计算是取Km=02 5，则计算面积乘积取EEl6磁心，它的中心磁铁截面积(Ae)192mm2，磁心的窗口面积(Aw)为3985mm2，因此EEl6的功率容量为AeAw=1923985mm4=00765cm4，而计算面积乘积AP=O029cm4，它明显小于上面的功率容量的乘积00765，可见采用EEl6磁心时，其功率容量已足够大。绕组匝数计算如下：先确定最低电压绕组的匝数取偶数N1=34，其中开关管最大导通时间Tcn=9s，控制器输出频率f=45kHZ。按照原边34匝，副边8匝绕制变压器，在变压器的绕制过程中，为了减少变压器的漏感，要将原边绕组和副边绕组紧密耦合。结合自己设计的具体电路说明2.2 控制回路分析对串级比例控制方法的分析说明。结合自己设计的具体电路说明：电流检测及调节模块、电压检测及调节模块、过流保护模块、供电电源的分析说明。采用单片机方案的还需要说明控制方法。3.3 主电路分析对主电路进行简单分析说明。特别说明，大家在绘制电路图及分析时，对我们给出的电路做出适当的修改。3. 程序的设计（包括主程序和子程序）采用单片机方案的同学写此项4. 测试方案与测试结果根据题目要求进行各项的测试结果说明。4.1测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：根据实际测试自己填写。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)根据要求进行以下几项数据的测试，并将结果填表。 负载指标2欧姆10欧姆UINUOIINIOI1I24.3.2测试分析与结论根据上述测试数