开关电源 (2)

.开关电源模块并联供电系统摘 要本设计采用TL494构成Buck DC-DC变换拓扑结构开关变换器。该系统由DC-DC电路、显示模块和12V、5V辅助电源构成。DC-DC电路是采用Buck变换对输出电压实现24V转8V的控制，并用INA128搭建电路，采用平均电流自动均流法实现两路的并联和均流，平均电流法可以精确的实现均流，构成并联供电系统，同时，系统具有输出保护功能，且可实现单片机输出电压、电流。关键词：Buck；DC-DC；并联；均流;.1 方案设计与论证1.1 DC-DC主电路的设计方案一 ：采用SG3525搭建电路，SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，作为SG3524的改进型，更适合于运用MOS管作为开关器件的DC-DC变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。方案二 ：采用TL494构建Buck变换器，TL494是一种电压控制型脉宽调制控制集成电路，工作频率可高到300kHz，工作电压可达到40V，内有5V的电压基准，死区时间可调整，主要应用于各种开关电源。上述两种DC-DC主电路的搭建方法，各有其优缺点，SG3525的外围电路比较简单，但考虑到成本问题，在满足条件的情况下，TL494的成本相较于SG3525更低，故采用方案二1.2 均流方案方案一 ：采用INA128的经典电路搭建均流电路，INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器，用INA128搭建的均流电路并实现两路Buck电路的并联。方案二 ：采用普通的均流方法，采取独立的PWM控制器的各个模块，通过电流采样反馈到PWM控制器的引脚FB或者引脚COMP，即反馈运放的输入或者输出脚来凋节输出电压，从而达到均流的目的。由于方案二电流采样是一个关键问题：用电阻采样，损耗比较大，电流放大后畸变比较大；用电流传感器成本高；用电流互感器采样不是很方便，也会使电流失真，而方案一的外围电路比较简单，且成本低，故采用方案一。1.3 辅助电源模块方案一：辅助电源由UC3845完成控制功能，用于产生+20V，-20V和+8V电压，再经过以LM317为核心的双级跟踪式线性稳压电路后得到+15V、-15V和+15V电压。方案二：辅助电源采用LM2575集成模块，LM2575的输入直流电压范围为740V，输出的电压范围为1.2337V。由于方案一外围硬件电路较为复杂，而方案二易于控制，便于实现，且方案二的转换效率很高，能达到题目要求的精度，故选择方案二。2 理论分析与硬件电路图2.1 DC-DC主电路的设计2.1.1 原理分析Buck电路是一种降压斩波器，Buck变换器的主电路如图2-1，在图2-1中，为输入电压、S为PWM波控制的开关管、D为续流二极管、C为输出滤波电容、为负载电阻，在开关管导通期间，二极管D截至，输入电源通过电感L向负载提供电能，同时流过电感的电流线性增加，将电能转换成磁能储存在电感中，当电感电流增加到大于后，电容进入充电状态。在开关管关断期间，二极管导通续流，流过电感的电流线性减小，在减小到后，电容进入放电状态，向负载供电，以维持输出电压稳压。图2-1 Buck电路2.2 控制电路模块2.2.1 原理分析用TL494构成的Buck开关变换器，TL494由于电路中开关管的原因，芯片采用单端输出方式，输出方式控制端13脚接低电平，两个输出晶体管的发射极并联接地，集电极的输出端C1、C2并联输出驱动开关管；TL494内部的误差放大器极其外围元件构成电压控制模式的调节器，其反向输入端2脚通过R接到基准电压端，同相端1脚通过电阻直接接到输出端（反馈输出电压），、和构成电压调节器的补偿网络；5、6脚所接的电容和电阻用来设定芯片的振荡频率。2.2.2 电路原理图TL494是一种电压控制型脉宽调制控制集成电路，工作频率可高到300kHz,工作电压可达到40V，内有5V的电压基准，死区时间可以调整，主要应用在各种开关电源中，TL494的主要特征如下： 集成了全部的脉宽调制电路。 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个。 内置误差放大器。 内置功率晶体管可提供500mA的驱动电流。 推或拉两种输出方式。由TL494构成的Buck变换电路能有效的达到设计要求，TL494的振荡频率可通过外接电阻和电容进行调节，振荡频率的计算公式为: (2.1)正常工作时，开关变换器的输出电压为5V，当某种原因导致输出电压有升高的趋势时，则电压误差放大器的同相端的电压升高，其输出电压增大，将使PWM比较器的高电平输出脉冲宽度增加，芯片输出脚8、11脚的高电平脉冲宽度也增加，功率开关管的道通比减小，输出电压将下降，最终使输出电压维持稳定。电路如图2-2所示：图2-2 DC-DC主电路图2.3 辅助电源模块2.3.1 原理分析系统辅助电源在设计上采用LM2575集成模块。LM2575的输入直流电压范围为740V，输出电压范围为1.2337V，而且其转换效率很高。2.3.2 电路原理图辅助电源电路采用两路供电，一路输出5V，另一路输出15V，两路同时工作，对主电路进行供电，电路如图2-3所示图2-3 辅助电源电路2.4 均流模块2.4.1 原理分析在均流模块中，我们采用了平均电流自动均流法，平均电流自动均流法中各并联模块单元的输出与均流母线的连接关系如图2-4所示，各并联模块单元的电流放大器输出通过一相同的电阻值连接到均流母线，均流母线上的电压反映了所有模块电流的平均值（即代表电源系统的平均电流）。图2-4 平均电流均流法各并联模块单元与均流母线的连接关系平均电流自动均流法控制电路如图2-5所示，图中为基准电压，电流放大器的输入信号，与模块的输出电流成比例；为均流母线上的电压。和经均流放大器比较产生后，产生的均流控制电压；参考电压和进行综合后形成电压误差放大器的基准电压比较，和进行比较放大后，产生误差放大电压来控制PWM控制器。功率级的开关管按照PWM信号的开通与关断，从而调节输出电流，使得各模块的输出电流接近相等，达到均流的目的。均流母线负载电流PWM控制功率级b电流放大器Ra图2-5 平均电流自动均流法控制电路2.4.1 电路原理图平均电流均流法的单路模块如图2-6所示，两个模块电路通过图2-4的关系并联在一起，母线的电压是两个分模块的电压的平均值，也代表了模块1、模块2的平均电流值，然后通过均流控制电路对开关变换器的输出电流进行调节，最终达到相等，实现系统的均流。图2-6 均流电路2.5 过流保护模块分析逐波过流保护在每个开关周期内对电流进行检测，过流时强行关断，防止场效应管烧坏，保护电路如图2-7所示：图2-7 过流保护电路2.6 效率分析与计算本系统要求电源的整体哦效率达到60%,电源的额定功率为P=UI，电路的损耗包括开关损耗和通态损耗，开关损耗和开关频率直接相关，通态损耗为，续流二极管损耗为，此设计中选择的功率MOSFET型号为IRF9540，导通内阻非常低，续流二极管选择肖特基二极管MBR20100，导通电压为0.7V，使用采样电阻对输出电流进行采样时，采样电阻的损耗为，此设计中使用0.1的采样电阻，额定输出时的损耗不算太大，测量控制电路的损耗跟元件的工作电压有关，信号放大用的LM358高增益的双运算放大器，单片机采用的是MSP430，MSP430是德州仪器推出的16位超低功耗、具有精简指令的混合信号处理器，功耗很小。3 系统测试及结果分析3.1 测试仪器表3-1 测试仪器表序号名称型号数量1数字万用表DT920542直流稳压电源MPS-3005LP-313.2 测试数据3.2.1 测试方法保持输入电压为24V，通过调节滑动变阻器保持Buck变换电路的输出为8V，通过调节负载改变电路电流。Uin3.2.2 电流I1:I2=1:1时的测试数据表3-2 测试电压输出数据测试次数测试参数12345Uin（V）242423.923.923.9Uo（V）87.97.97.97.8Io（A）0.30.561.221.341.50I1（A）0.140.270.600.680.73I2（A）0.150.290.620.660.763.2.3 电流I1:I2=1:2时的测试数据表3-3 输出电流测试数据测试次数测试参数12345Uin（V）24242423.923.9Uo（V）87.97.97.97.8Io（A）0.0740.1080.1670.330.753I1（A）0.0640.0680.0770.220.503I2（A）0.030.040.090.110.253.2.4 效率分析额定输出功率工作状态下，供电系统的效率为： （3.1）3.2.5 测试结果分析从测试的数据可以看出，此设计较好的实现了设计要求，达到了很好的稳压效果，电压的调节响应也快，基本达到了题目基本部分的指标： 系统的输出电压：UO=8.0。 系统的供电效率不低于60%。 在保持输出电压为8V0.4V时，两个模块的输出电流之和分别为IO =1.0A和IO =1.5A 且按I1:I2=1:1和I1:I2= 1:2模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。4 结束语本次实验充分体会到可靠性是是开关电源设计一个重要的因素，而TL494是一种功能非常完善的PWM驱动电路的芯片,适用于多数电路，性能稳定，可靠性高，具有很大现实意义，而在系统的设计当中，尽量使用了硬