dc-dc开关电源并联供电系统设计

dc-dc开关电源并联供电系统设计

随着技术的发展，低压dc-d电源的功率越来越大，传统的单d-d电源无法满足需求。本系统采用了DC-DC开关电源并联供电系统,比传统单电源的电流最大可多一倍的输出。此系统中的一个DC模块为恒压源,另一个DC模块则为可控电流源,这种结构可以轻松实现恒定电压输出,并且两个模块可调电流输出供电。1系统设计1.1电流调度模块系统结构如图1所示。外部24V直流电流经过DC-DC主模块转变为恒定8V电压给负载供电,同时对各模块的输出电流进行采样,使从DC-DC模块的输出电流跟随主DC-DC模块的电流变化而变化,以实现电流跟随。为了对两个模块的输出电压与输出电流进行实时监督,各电流-电压检测模块将DC-DC主模块电流I1、DC-DC从模块电流I2和总电流IO分别转变为电压VI1、VI2、VIO信息,单片机通过内部A/D采集这些信息,并且进行处理和对各模块进行控制。单片机根据键盘的输入选择自动调节电流比例模式或手动调节电流比例模式,传递相应的数据给D/A模块。D/A把数据转换成电压V_FB反馈给DC-DC从模块,达到了两个模块的电流可调比例的输出。在这个过程中,单片机都可以通过键盘输入数据和通过12864液晶显示I1、I2、IO以及I1与I2的比例。为了给系统其它芯片提供各自所需的工作电压,本系统另外设置了辅助电源供电系统以提供包括+5、+9、-9、+12V在内的各种电源电压,所用稳压电路分别采用开关电源稳压芯片LM2576-5.0、LM2576-ADJ、MC34063以及LM2576-12芯片,转换成+5、+9、-9、+12V电压输出,可获得比普通线形稳压电源更高的电源转换效率。1.2硬件设计1.2.1sqp系统频率及电路工作原理DC-DC主模块电路如图2所示。本模块在DC-DC降压电路上采用一级减压方式,将24V直流电压直接降到8V直流电压,比多级降压电路方案提高了电路的供电效率。此模块主要由SG3525、8050和BUCK拓扑电路组成。SG3525电路主要输出可调占空比的12VPWM波形,PWM的输出由8050进行电平转换并且电平反相,再与BUCK拓扑电路组成DC-DC主模块的开关电源。SG3525是一个可调PWM频率的反馈自动调节PWM占空比的芯片。SG3525的PWM输出引脚有OUTA(引脚11)与OUTB(引脚14),OUTA引脚和OUTB引脚分别产生fOUTA与fOUTB。它们的频率之和等于系统振荡频率fOSC,所以fOUTA为fOSC的一半。考虑到三极管的损耗和电感、电容的值之间的设计问题,fOUTA在30~50kHz范围(即fOSC=60~100kHz)比较适当。SG3525芯片的系统频率的公式为:再根据数据手册给出的CT、RT和RD范围,计算可得:CT(C5)=3900pF,RT(R3)=5.1kΩ,RD=200Ω。由这些数据可得fOSC=66kHz,fOUTA=33kHz。IN-(引脚1)和IN+(引脚2)是PWM可调占空比的输入引脚,两个引脚经过误差放大器,再进PWM比较器,本系统通过可调节电阻分出的电压,作为IN+的基准电压,再由BUCK结构的输出端采集反馈电压V_FB作为IN-的比较电压。SG3525系统振荡频率占空比可调范围在0%~100%,而fOUTA的占空比则是在0%~50%的范围内。8050作为SG3525与BUCK拓扑的桥梁,将SG3525输出的12V电平转换成24V电平PWM并对电平进行反相。BUCK拓扑结构是由PNP型达林顿三极管2SB1020,二极管,电感和电容组成。输出电压与导通时间的公式为:式中:VO是输出电压,VIN为输入电压,TON为导通时间,T为全周期)。8V/24V=33%,所以导通时间要在0%~50%的范围内。因为经8050反相后的占空比为50%~100%的PWM与低电压导通PNP型三极管相连,所以三极管的导通时间占总周期的比值可在0%~50%内。BUCK模块上采用的绕组的扼流线圈加上铁氧体磁芯的电感L1,电感的计算公式为:式中:VON=24V-8V=16V,实际频率f=33kHz,D=8/24=1/3,由此可得电感L1为150μH。负载并联电容C9主要是储能稳压,在Q1不导通阶段的输出电压UO也是稳定的直流电压。C7、R11和C8、R12组成的电路主要是滤高频噪声;在输出电压VO与GND通过R13与R14进行分压,取出电压V_FB反馈给SG3525芯片,调节PWM的占空比。J4口是8V恒压输出。1.2.2dm反馈电路DC-DC从模块电路原理图如图3所示,本模块采用电流跟随模式,它的基本原理和设计参数基本与BUCK从模块一样。不同的就是PWM反馈电路:主模块是自身输出电压V_FB作为反馈电压,分压式电压V_S作为基准电压;从模块的J5接口给外部控制基准电流,单片机通过控制D/A模块,输出电流信息作为基准电流I_S;从模块经过电流-电压测量模块转换成电流信息I_FB,输入给J6接口,I_FB与I_S相比较并自动调节,实现了I_S电流跟随着I_FB的电流。1.2.3运放控制器设计测量主要是对电流-电压进行测量。其中对两个测量的模块采用了高边采样方法,这种结构可以测量高边电流,将一个0.1Ω、5W电流采样电阻串联在要测量的高边回路中,将采样电阻两端的电压经两个10kΩ电阻作为运放OP37的输入端,运放把采样的电压放大200倍。而对总流测量的模块采用了低边采样,将一个0.1Ω、5W电流采样电阻联在要测量的低边回路中,将采样电阻两端的电压经两个1kΩ电阻作为运放OP37的输入端,运放把采样的电压放大200倍。它与LM358运放组成了比较电路,输出总电流与参考数据比较,当输出总电流大于4A,就会启动过保护装置。控制部分主要由D/A芯片和运放芯片组成,如图4所示。从DC-DC主模块采样到的电流I1数据由J4口输入,经OP37运放1∶1的放大,作为DA的基准电压。单片机通过I/O口控制DA的输出电压,经过U4的放大后,传送给从模块的反馈端,作为从模块的基准电压。1.2.4+9v电源电路设计系统供电+5V、+12V电源分别由开关电源集成芯片LM2576-5和LM2576-12电路提供;而+9V电源则由可调电压输出芯片LM2576-ADJ芯片输出,芯片反馈电压VREF要在1.23V,将输出电压+9V经两个电阻R1=1.5kΩ和R2=10kΩ分压可得反馈电压VREF。负电压部分采用MC34063双极型开关集成电路接成电源反相器,其输出范围广,损耗低。2主机控制原则2.1ad转换电路本系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片实现了对电流采集和对反馈电路的控制。STC12C5A60S2是每机器周期只需1个时钟的8051,与普通8051代码完全兼容,编程容易,而且内置8路10位AD转换。主控机的硬件结构如图5所示,单片机STC12C5A60S2通过外部中断进行键盘扫描,节省了单片机的资源并且可以实时对键盘进行扫描。为提供用户操作界面,单片机通过I/O控制12864液晶,实时更新并显示数据。为了让单片机采样到的数据更加精确,设计了一个由稳压管TL431组成的输出标准2.5V电压的电路,通过ADC0对标准的2.5V电压进行采样,作为其他采样的参考数据,这样就不会因为系统电压波动而影响采样数据。通过ADC1、ADC2和ADC3分别对IO、I1和I2进行采样,每个采样到的数据都要与标准的2.5V比较,运算出更精确的数据。单片机把运算结果传送到DA模块,通过DA模块反馈DC-DC从模块。2.2主从模块自动调节电流比例的实现程序框图如图6所示,程序刚开始对各个模块进行初始化,然后进入死循环。在全局变量中定义了一个模式选择标志位flag,如果flag=1,就进入了自动调节电流比例模式,否则就会进入手动设置电流比例模式。当进入了自动模式后,在每一路AD采样电流值之前,单片机就会先通过ADC0采样标准的2.5V电压值,再采样电流值,将采样到的结果与标准的2.5V电压值相比较,换算出更精确的电流值。单片机通过AD可以采样到IO(总电流),I1(DC-DC主模块的电流),I2(DC-DC从模块的电流)并且通过12864液晶进行实时显示。将采样到的IO先进行判断,如果IO在0~1A,那么I1∶I2为1∶1;在1~2A,I1∶I2为1∶2;在2~3A,I1∶I2为1∶1.5;在3~4A,I1∶I2为1∶1;如果超出4A,就启动自动保护电路,断开负载。已知当前的IO值和经换算后的电流比例I1∶I2,就可以计算出新的I2值。单片机通过DA模块,将新的I2值反馈给从模块,从模块根据新的I2值自动调节电流输出,直到电流输出为I2的值为止。这样就实现了主从模块自动调节电流比例的功能。当进入手动模式,它的实现原理基本上和自动模式是一样的,只有电流比例设定方式不同。自动模式是通过程序自动判定电流比例,而手动模式通过键盘输入电流比例(比值在0.5~2)。3测量结果及分析本次测试实验采用EXSOK633