开关电源模块并联供电系统.doc

题目：开关电源模块并联供电系统作者：钟海东、杨威、邓毅赛前辅导教师：丁忠 文稿整理辅导教师：付长友 学校：四川理工学院摘 要本系统采用可控恒压源（A模块）与可控恒流源（B 模块）并联。可控恒压源调节、稳定输出电压；根据负载电流大小，计算出恒流源应输出电流值并控制其输出，使A模块与B模块的电流按照设定比例输出。DC/DC恒流恒压电路均采用TI公司的TPS54331芯片，微控制器MSP430F2616作为系统显示、AD采样与DA模拟量输出，模拟信号处理由OP07、LM358完成。系统调节方便、输出电压不随负载变化而变化，系统反应速度快、稳定性好、纹波小。关键字: 可控恒压源；可控恒流源；并联供电；MPS43OF2616；TPS54331；过流保护AbstractThe system uses a controlled voltage source (A module) in parallel with the controlled current source (B module). The controllable voltage source regulate and make the output voltage stably. According to load current, microcontroller calculate the output current value of controlled current source and control its output,so that the A block and B block set out in accordance with the needed current ratio. DC / DC constant current constant voltage circuit use TIs TPS54331 chip, microcontroller MSP430F2616 act as the system display, A/D Converter sampling the signal and D/A Converter achieve analog output. Analog signal processing accomplished by the OP07, LM358 .This system is easy to adjust,and the output voltage is immuned to load changes. The system response rapidly, with good stability and small ripple.Keyword: controllable voltage source; controllable current source; parallel power supply; MPS430F2616; TPS54331; over-current protection.一、设计方案论证1.1 系统电流分配方案选择为了实现开关电源模块并联供电系统，如图1所示，可采用2种方案实现。图1 题目所要求的并联供电系统方案1： 采用电流源与电流源并联，构成一个并联供电系统，如图2所示。负载电流IO由电流源1上的I1与电流源2上的I2合成而得，即IO=I1+I2。系统负载上的电压UO由负载电阻RL与其通过的电流IO共同决定，即UO=IO*RL。当调节负载时，系统需要立即更改模块A与模块B的电流大小且保持比例系数不变，以满足输出电压恒定。由于I1、I2是相对变化的，因此整个系统中，需不断通过检测负载电压UO来调节I1和I2，系统就很难短时间稳定，误差也较大。图2 方案1功能框图方案2：采用恒压源与恒流源并联，构成一个并联供电系统，如图3所示。恒压源作为系统的输出电压控制，负责调节系统负载电压UO，该电压值不受负载电阻变化的影响。恒流源作为输出系统电流比例控制，负责调节它的电流（I2）与电压源的电流（I1）输出比例。当系统接上负载RL时，由IO=UO/RL，IO是一个固定值，由基尔霍夫定律可知，IO=I1+I2。因此，只需要测量IO ,就可以计算出I2的的大小，并将该值送给恒流源控制器，恒压源的输出电流I1（I1=IO-I2）就会被自动调节，使之满足IO=I1+I2，比例调节可一次完成。如果负载没有改变，系统就不需要再调节且能够稳定工作。因此，在方案2中，只需调节1个参数I2，系统反应速度快、稳定性好，在设计、调试过程中，硬件、软件难度较小。 图3 方案2功能框图通过比较、分析方案1与2，方案2比方案1具有更多的优越性，如表1所示。因此，我们选择方案2来实现并联供电系统。比较对象方案1方案2相关参数测量参数调节参数测量参数调节参数UO、I1、I2UO、I1、I2IOI2负载电压稳定性电压不稳定，随负载电阻而变稳定性极好，不受负载电阻改变系统纹波电压较大较小实现难易程度较困难较容易表1 方案1与方案2比较1.2 开关电源模块设计选择方案1：采用MOS管、驱动芯片和控制芯片等分离器件搭建的开关电源电路。此方案优点：系统容量可以做到很大，电流电压控制较为方便。但是，用分离器件制作开关电源由于各部分元件不易实现良好的匹配，导致热稳定性差、纹波较大、不易实现高效率，而且体积大、成本高。因此，此方案不采纳。方案2：采用开关电源高度集成芯片。采用集成芯片效率高，制作起来容易，成本、体积上也满足要求。本系统的重点及难点在于开关电源的控制，而不是开关电源模块的制作，故将重点放在控制上。因此本系统选择开关电源集成芯片，简化电源模块制作。经比较选择，采用TI公司的TPS54331其输入电压范围为3.5 V 28 V、额定输出电流3.5A、500KHz开关频率、单周期脉宽控制，能够满足系统的控制要求。二、硬件电路设计本系统的硬件框图如图4所示。其中DC/DC部分由开关电源集成芯片TPS54331组成，与恒压控制电路组成恒压源、与恒流控制电路组成恒流源。微控制器采用TI公司的MSP430F2616低功耗16位单片机，该单片机内部集成12位A/D转换与12位D/A转换模块，能够满足本系统要求。另外，参数采集电路包括I/V电流采集电路与电压采集电路，过流保护电路完成负载过流判断及产生中断请求。图4 硬件结构框图 2.1 可控恒压源电路 可控恒压源电路如图5所示。所需电压通过电阻分压得到，经过一个跟随器送到TPS54331的VS反馈端口，与芯片内部集成的基准电压比较。通过内部比较自动调节PWM脉冲宽度，控制MOS管的导通，自动调节输出所需的电压值。图5 可控恒压源电路2.2 可控恒流源电路可控恒流源电路如图6所示。恒流源输出（B_OUT）的I2通过(图7) I/V转换成电压信号（I_B），利用跟随器作阻抗匹配，送至差分放大器正输入端；由MCU控制DAC输出预定模拟电压(DAC_I)并经一个积分电路滤波，利用跟随器作阻抗匹配，送至差分放大器负输入端。差分放大器将两路信号作差并放大10倍，输出送到TPS54331的FB反馈端口。由于TPS54331内部的参考电压是0.8V,所以自动将该值稳定到0.8 V左右，即系统稳定时I_B与DAC_1的差值稳定在0.08V。虽然这个过程电路很简单，然而，由于系统是开关电源，采集的电流信号是一个频率高、不平滑的信号，造成运放并没有线性工作。测试发现，恒流源纹波值超过1V，这样的结果是完全失败的。因此，我们考虑给运放添加补偿电路。通过分析，发现超前补偿可以解决本电路的难题。于是我们在R14上并联一个200pF的陶瓷电容，测试发现振荡减弱。通过理论分析结合实验，并联电容值大概在1000pF 左右最好。再次测试，系统输出纹波值就在2mV左右，这个结果很不错。根据TPS54331的芯片资料，VS端口的电压为-0.33V，否则将造成芯片损坏。由于发光二极管的压降大约是2V，因此由D3和D4组成的保护电路。图6 可控流源电路2.3 电流检测电路电流检测电路如图7所示，系统的输出电流IO由电流源模块输出电流I2 (B_OUT)经过0.04与电压源模块输出电流I1(A_OUT)并联再经过0.02的电阻得到。为了使电流检测更加精准，本电路R37、R39选择Vishay公司生产的无感精密电阻作为检流电阻。由OP07与0.1%的精密电阻组成的差分放大器来采集检流电阻分的电压，根据最大电流是5A考虑计算，确定放大倍数是10倍。经过I/V转换电路得到的电压信号，一部分通过积分器滤波送到单片机的ADC采集端口，另一部分送至电流控制电路作控制反馈使用。图7 电流检测电路2.4 过流保护电路过流保护电路如图8所示。当负载增大，负载电流值IO超过4.5A时，通过I/V转换（图6）得到的电压（IA+IB）与由TL431组成的基准电压信号比较，一旦超过基准电压信号，比较器LM393并产生一个低电平信号。这时，发光二极管D6点亮，并将该信号送给MCU中断端口,使MCU产生一个中断。MCU接收到中断后，中断程序立即关闭电压源与电流源的TPS54331的使能端，两个电源模块停止输出，整个系统处于保护状态，从而有效地保护系统。另外，立即启动定时器，计时1秒后打开电流源并输出100mA，通过计算判断负载情况，如果负载恢复到正常的范围内，系统按照正常比例输出；否则继续处于保护状态，以1秒为周期判断负载情况。 图8 过流保护电路三、软件设计3.1 主程序设计主程序流程图如图9所示。在主程序中，系统按照比例设置，根据负载情况自动完成调节两个模块的电流输出比例，并将实时信息通过液晶显示出来。3.2中断服务程序中断服务程序流程图如图10所示。在中断程序中，系统主要完成过流保护部分。当系统发生过流，由比较器输出低电平触发MCU中断，在中断服务程序中关闭输出并以1秒为周期判断负载是否恢复正常，中断结束后跳回主程序。 图9 主程序流程图 图10中断服务程序四、测试结果4.1电压测试数据调节负载电阻，测试恒压源的输出电压UO，所测试的数据结果如表2所示。表2 系统输出电压测试值测试参数12345678910电阻RL()3.943.943.943.943.943.943.943.943.943.94电流IO（A）2.0152.0162.0172.0152.0142.0192.0132.0152.0162.015电压UO（V）7.947.967.947.957.967.937.947.957.967.964.2 系统供电效率测试数据调节负载电阻，使系统输出功率为额度功率，测试输入电压UIN、电流IIN与输出电压UO、IO，所测试的数据结果如表3所示。表3 输入电压、电流及输出电压、电流值测试参数12345678910UIN(V)24.0424.0324.0524.0424.0224.0324.0224.0624.0524.02IIN(A)1.471.471.4661.4641.4681.4661.4681.4741.4641.464UO(V)7.957.947.937.957.957.967.917.957.897.92IO(A)4.0424.0464.0424.0324.034.0444.0424.034.0424.036效率（%）90.9390.9490.9191.0890.8691.3890.6790.3490.5890.904.2 分配电流精度测试数据调节负载电阻，使2个模块按比例输出电流，其电流数据及误差如表4所示。表4 电流测试数据及误差比例UO（V）IO(A)I1(A)I2(A)相对误差（I1）相对误差（I2）1:17.991.0010.5010.5000.2%01:27.981.5020.5021.0010.4%0.1%1:17.942.0010.9991.0020.1%0.2%1:27.932.0000.6651.3360.15%0.22%1:47.943.0030.5972.4020.5%0.01%1:17.893.4551.7231.7310.26%0.23%1:17.874.0001.9992.0210.05%1.05%4.3 纹波电压