开关电源模块并联供电系统设计

1、开关电源模块并联供电系统设计学 院：电气工程学院姓 名： 学 号： 指导老师： 电气工程学院2016年1月10日摘要在电源的实际使用过程中，各种负载对于供电的可靠性要求不同，当单台电源不能提供负载的全部容量的时，就需要多个电源模块并联使用，以提高电源的容量和运行的可靠性。在实际的使用过程并不是简单的把各个电源并联使用就可以让电源平均承担功率。本设计设计制作的是开关电源模块并联供电系统，能够广泛应用在小功率及各种电子设备领域，能够输出8V定压，功率可达到16W，并根据要求对两路电流进行按比例分配。本系统由DC/DC模块，均流、分流模块，保护电路组成。关键词：电源，可靠性，稳定性，并联，均流一、

2、设计要求设计并制作一个有两个额定输出功率均为16W的8V DC/DC 模块构成的并联供电系统（见图1）。图1 并联供电系统图（1） 调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压Uo=8.0±0.4V。（2）调整负载电阻，保持输出电压Uo=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和Io=1.5A且按I1：I2=1：2模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%二、 系统方案（一）、分流控制方法及实现方案方案一：运放反馈分流。主电路通过电压反馈稳定输出电压，从电路通过运放检测主从两路的电压差控制输出电压，使得两路压差为零，从而达到了分流的目的。该方案

3、的实现与运放的参数有关，运放反馈回路的电容、电阻不好匹配。方案二：用单片机实现动态均流。通过单片机实时采集两路DC-DC 模块的电流和负载电压，然后通过内环电流外环电压，软件模拟硬件最大值分流的算法控制两路DC-DC 模块PWM 波形的占空比来调节电流。该方案优点控制精度高、外围电路简单，用软件模拟硬件，成本低，整个系统的效率高。根据上述三种方案的比较结合题目的控制要求最终选择方案二实现分流控制。（二）、单片机选择方案一：使用89C51单片机指令简单，易学易懂，外围电路简单，硬件设计方便，IO口操作简单，无方向寄存器，资源丰富，价格便宜、容易购买，资料丰富容易查到，程序烧写简单，但要外接A/D

4、、D/A芯片，来实现对整个供电系统的控制，需要占用较多的I/O接口，会使普通单片机承载过大的数据处理任务，功耗较大。方案二：使用ATmega16，ATmega16外设特点：两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和扑捉功能的16位定时器/计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8位PWM，4路分辨率可编程(216位)的PWM,输出比较调制器，8路10位ADC，面向字节的两线接口I2C总线，两个可编程的串行USART,可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。特殊的处理器特点：上电复位以及可编

5、程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源，6种睡眠模式，可以通过软件进行选择的时钟频率，通过熔丝位可以选择兼容模式，全局上拉禁止功能。结合前两个方案优点，经过方案比较与论证，最终确定使用方案二，因为ATmega16速度快 自带PWM ，自带AD，而用89C51会使电路更加复杂与不稳定所以，用ATmega16单片机和其它控制器电路同实现整个系统的控制。（三）、系统整体方案设计本系统采用双闭环系统控制，电压为外环，两路电流为内环。电压检测负载两端电压U0 并与给定值Ur 比较，得到U,给控制器，调整PWM 使输出稳定在Ur。同理，电流分别检测到I1 和I2，然后分别和设定值Ir1

6、和Ir2 比较，分别得到I1和I2，控制器分别调整PWM1 和PWM2 是输出电流为设定值。开关电源并联供电系统结构图如图2所示。控制模块DC/DCDC/DCPWM1PWM2Ir1电流检测-UUr负载I1+电流检测-电压检测U0I2Ir2 图2 开关电源并联供电系统结构图三、 理论分析与计算+8V+24V图3 Buck电路图输入电压Vs：24V；额定负载电流In：2A；最小负载电流Io min：0.5A；输出电压Vo ：8V；开关频率：20kHz；纹波小于5%。最小负载时，电感电流连续。（1） 电流连续时，占空比 D=Vo/Vs=1/3 ； 电感LVo *（1-D）/2fSIomin=261F

7、 ；为保证最小负载电流时电感电流连续，选取L=380H 。（2） 电感电流脉动最大峰峰值：所以：（3） 电压纹波小于5%0.05 又 94F所以： ；即C取100F 。四、 电路设计（一）、主电路设计方案一：有一种型号为LM2956的降压开关电压调节器，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，极大地简化了开关电源电路的设计。方案二：采用SG3525自带脉宽调制电源芯片来设计DC-DC降压转换电路，SG3525简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路,死区时间可调、软启动控制电路、PWM锁存器，

8、有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。由此设计而成的电路易于实现脉宽调制，然而在真正使用时会发现，为得到要求的电压输出值，开关管S的参数选取相当不易。方案三：将经过隔离变压器，整流滤波后得到的24VDC通过Buck降压电路进行DC-DC转换，由ATmega16 单片机产生PWM控制其占空比，从而得到要求的直流电压。此方案仅用一块控制芯片不但可以实现对Buck电路的控制，而且可以结合A/D和D/A对输出电压进行调整与显示。由于ATmega16 单片机自带能够产生脉宽调制所需的PWM信号的端口，在实际制作中用起来比较方便。ATmega16单片机自带8路10位A/D转换。经过方案比较与论证

9、，最终确定使用方案三如图4，因为ATmega16单片机，自带PWM模块，可以输出PWM方波控制电路，节约芯片成本，也可实现AD转换。用单片机和其它控制器电路同实现整个系统控制。图4 主电路图（二）、驱动电路设计方案一：单片机输出PWM，采用IR2101驱动DC-DC电路中的IRF9530，控制输出电压。方案二：先采用光耦TLP250和单片机进行隔离，有效保护单片机，之后用IRF3205去驱动MOS管IRF9530，控制输出电压。结合两种方案的对比选择方案二如图5，因为方案二中采用光耦，将单片机与主电路隔离，能够有效保护单片机，而且也能使正常使电路工作。图5 驱动电路图（三）、辅助电源电路方案一

10、：采用集成的三端稳压集成芯片，7815和7805分别给光耦和运放，还有单片机供电，7815内含过流，过热，过载保护电路。方案二：采用LM2575开关稳压集成芯片，它内部集成了一个固定的振荡器，是一种高效的稳压芯片，大多数情况下无需加散热片。内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。它可以根据用户要求选择输出电压，可输出3.3V，5V，12V，15V。然后再经过7805产生5V电压。结合两种方案的对比选择方案二如图3.4，因为方案二中的LM2575的是可调节输出电压的芯片，方便调控，而且它内部有电压基准比较，使输出的电压能够准确并稳定，比7815要精确，且性能好。图6 辅助电源电路图（四

11、）、电压电流采样电路采样模块是输出电压经过采样回来，形成一个负反馈.经过单片机内部A/D进行处理，然后使输出更加稳定和准确。电压采样模块直接采用LM358运放如图7，将输出的电压缩小一定倍数后，然后送给单片机处理判断。电流采样是经过0.1欧/4瓦的采样电阻后，缩小一定倍数，然后经过一个差分电路，将电压值送入单片机进行处理如图8。图7 电压采样电路图8 电流采样电路五、 结果下表为实验测定结果：表二 两模块电流按1:2分配情况I1（A）I2 （A）I总 （A）Uo（V）给定值0.51.01.58.0测量值0.5080.9811.5027.60绝对误差1.6%1.9%0.2%5%从上表可得：调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0 ±0.4V，使两个模 块输出电流之和 IO =1.5A 且按 I1:I2= 1:2 模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差小于2%。六、 总结通过本次开关电源并联供电系统设计，学到了专业知识方面的一些知识。整个学习的过程是很重要的。由于这个学期选修了电力电子器件及变换这门课，所以对于这次的课程，通过对整个系统的设计，测试，调整。更