淺談開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

河海大學(xué)文天學(xué)院電氣信息工程系 吳祥飛 楊 軍

1.引言

近一些年來，隨著微電子技術(shù)和工藝、磁性材料科學(xué)以及燒結(jié)加工工藝與其它邊沿技術(shù)科學(xué)的不斷改進(jìn)和快速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)，有了突破性進(jìn)展，并且由此也產(chǎn)生了許多能提高人們生活水平和改善人們工作和學(xué)習(xí)條件的新工藝產(chǎn)品，如電動自行車，逆變焊機(jī)等設(shè)備。開關(guān)穩(wěn)壓電源以其獨(dú)有的體積小、效率高、重量輕、輸出形式多樣化、功率因數(shù)大，穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)涉及到了與電有關(guān)的所有領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域之中，開關(guān)穩(wěn)壓電源已取代前級線性穩(wěn)壓電源和前級相控開關(guān)電源，此外，開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)和實(shí)用技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)后，使得許多電子產(chǎn)品所采用的電池供電成為可能，是許多電子產(chǎn)品微型化和小型化后變?yōu)楸銛y式產(chǎn)品成為可能。所以開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電子設(shè)備和系統(tǒng)高效率、安全可靠運(yùn)行、低功耗的關(guān)鍵，同時開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)已成為電子技術(shù)中備受人們關(guān)注的科技領(lǐng)域。

2.方案設(shè)計(jì)與比較

2.1 方案論證

方案一：題目要求設(shè)計(jì)并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。由題目已知，采用TI公司的脈寬調(diào)制控制器UC3843作為BUCK型拓?fù)涞腜WM控制芯片。UC3843集成電路的一般特性及由它組成小功率開關(guān)電源的方法。它是通過高性能固定頻率電流模式的控制器專為離線和直流變換器應(yīng)用所設(shè)計(jì)的，只需要最少外部元件就能獲得成本效益高的方案。電流工作頻率能到500KHZ，能進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏魅颖容^器，精確的占空比控制和大電流圖騰柱式輸出是驅(qū)動MOSET管得理想元器件，并且UC3843具有自動鎖存脈寬調(diào)制的功能有利于電流比的設(shè)定。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 方案一軟件流程圖

圖3 系統(tǒng)組成框圖

圖4 單端反激DC/DC變換器電路拓?fù)?/p>

圖5 窄帶的電流放大器

圖6 無功耗限流電路

圖7 測試連接圖

優(yōu)點(diǎn)：以MSP430單片機(jī)為主控制器和PWM信號發(fā)生器，能根據(jù)反饋信號對PWM信號做出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。系統(tǒng)輸出電壓8.0+0.4V可調(diào)，可以通過鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低，DC/DC變換器能達(dá)到較高的效率。

方案二：利用單片機(jī)MSP430，以電壓型PWM控制器TL494為核心，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)壓輸出開關(guān)電源，其回路控制器方框圖如圖1，2，這種方案雖然實(shí)現(xiàn)起來較為靈活，可以通過調(diào)試針對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化，但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜。鑒于此，我們選擇方案一。

2.2 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案

方案一：利用PWM專用芯片產(chǎn)生PWM控制信號。此法較易實(shí)現(xiàn)，工作較穩(wěn)定，但不易實(shí)現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整。

方案二：利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號。讓單片機(jī)根據(jù)反饋信號對PWM信號做出相應(yīng)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方案控制系統(tǒng)軟件編程工作量較小，難度不是很大，用脈寬調(diào)制型的控制器實(shí)現(xiàn)PWM控制，并且完全由硬件產(chǎn)生高頻脈沖，實(shí)時性比較好，單片機(jī)控制的任務(wù)較輕，對單片機(jī)硬件資源要求不高，實(shí)現(xiàn)起來較為靈活，可以通過調(diào)試針對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是此方案硬件電器設(shè)計(jì)難度較大，電路板布線工作量較大，系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜。

根據(jù)要求選擇方案二。單片機(jī)和脈寬調(diào)制型控制器共同實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)組成框圖如圖3所示，脈寬調(diào)制器產(chǎn)生高頻脈沖直接DC/DC變換模塊，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液晶顯示、AD/DA轉(zhuǎn)換、、處理電壓反饋信號、過流保護(hù)、對脈寬調(diào)制器進(jìn)行控制、顯示等功能；過流保護(hù)電路負(fù)載電流不超過2.5A；負(fù)載電壓負(fù)反饋電路進(jìn)一步對負(fù)載電壓進(jìn)行精確控制。

3.理論分析與計(jì)算

DC/DC變換器穩(wěn)壓方法：

單端反激DC/DC變換器電路拓?fù)潆娐返脑恚鹤儔浩鱐1所引起的隔離和傳遞存儲能量的作用，即使在開關(guān)管VT開通的時候，Np會存儲能量，當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷時，NP會向NS釋放出能量。當(dāng)在輸出端加電感器L0和電容C0構(gòu)成低通濾波器時，變壓器的初級會有由Cr、Rr和VDr構(gòu)成的RCD漏感尖峰吸收電路，輸出回路有一個整流的二極管VD1。若變壓器使用有氣隙的磁心，則其銅損耗會較大，變壓器溫升會相對較高，并且輸出的紋波電壓比較大；但是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200W以下電源，并且多路輸出交調(diào)特性相對比較好。

電流電壓檢測：（1)電壓檢測是采用電阻分壓的方法取得的，通過兩只大交流電路進(jìn)行分壓，二極管的正負(fù)鉗位電壓送入跟隨器的電壓在-5～+5之間，經(jīng)過跟隨器隔離之后再通過比例運(yùn)算放大器等比例放大，然后送入采樣保持器。這樣就可以得到被測的信號。（2)電流的檢測，一般使用互感器，分流器等將電流信號處理并放大，作為后面電路保護(hù)和檢測用。

均流方法：工作框圖：所采用的是自動均流方法，這種均流方法采用一個窄帶電流放大器，輸出端口通過阻值為阻值為R連到均流的母線上，n個單元使用n個這種結(jié)構(gòu)。

當(dāng)輸出達(dá)到均流時，電流放大器輸出電流的I1這時I01處于均流的工作狀態(tài)。相反地，電阻R產(chǎn)生一個電壓，由這個電壓控制A1，然后A1再控制單元功率級輸出電流，最終使之達(dá)到均流。采用這種方法，可以使均流效果比較好，從而比較容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確均流。在具體使用過程中，如果出現(xiàn)均流母線短路或者接在母線上的一個單元不處于工作狀態(tài)時，母線電壓會下降，將會使得每個單元輸出電壓會下調(diào)，甚至有可能達(dá)到下限，從而造成故障。并且當(dāng)某一個模塊的電流上升至最大輸出電流，電流放大器輸出電流也會達(dá)到極限值，同時使得其他的單元輸出電壓自動下降?？梢詷?gòu)成多余系統(tǒng)，均流模塊在數(shù)理論上可以不限。但是此方法的缺點(diǎn)是為使系統(tǒng)在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，通常要限制最大調(diào)節(jié)的范圍，要將所有電壓調(diào)節(jié)到電壓捕捉的范圍以內(nèi)。如果有一個模塊均流線意外短路，則使得系統(tǒng)無法均流。單個的模塊限流可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在大系統(tǒng)中，系統(tǒng)穩(wěn)定性與負(fù)載均流瞬間響應(yīng)的矛盾很難解決。如果圖5中的電阻R支路上串一只二極管，則構(gòu)成所謂的最大電流自動均流法。

過流保護(hù)方法：如圖6所示，利用電流互感器T2來監(jiān)視負(fù)載的電流IT，IT在通過互感器的初級時，會把電流的變化耦合到它的次級，從而在電阻R1上會產(chǎn)生壓降。二極管D3會對脈沖電流進(jìn)行整流，經(jīng)過整流后再由電阻R2和電容C1進(jìn)行平滑濾波。如果發(fā)生過載現(xiàn)象的時候，電容器C1兩端的電壓會迅速地增加，會使得齊納管D4處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而驅(qū)動晶體管S1的導(dǎo)通，然后S1集電極的信號可以用來作為電源變換器調(diào)節(jié)電路的信號驅(qū)動。

電流互感器也可以用鐵氧體磁芯或MPP環(huán)形磁芯來繞制，但是要經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，從而來確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應(yīng)該達(dá)到匝數(shù)比是電流比一般地，互感器的Np=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3)。具體繞制數(shù)據(jù)還要最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)整，使其性能達(dá)到最佳的狀態(tài)。

4.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)中碰到的一些問題，比如，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM好像驅(qū)動不了MOS管，我們得外加驅(qū)動;又控制信號不用單片機(jī)，只用一個電容電阻，或555定時器，再用一個三極管和滑動變阻器，反饋也可以。

5.測試

（1)測試使用的儀器：萬用表，接觸調(diào)壓器，示波器。

（2)產(chǎn)生偏差的原因：a.對效率所進(jìn)行的理論分析和理論計(jì)算時，采用的器件參數(shù)的典型值，但實(shí)際器件的參數(shù)有明顯的離散性，電路性能可能因此而無法達(dá)到理論分析數(shù)值。b.電路的制作工藝并不是理想的，從而會增加電路中的損耗。

（3)改進(jìn)方法：a.使用性能更好的器件，如換用導(dǎo)通電阻更小的電力MOS管，采用低阻電容；b.采用軟開關(guān)技術(shù)，從而進(jìn)一步減小電力MOS管的開關(guān)損耗；c.采用同步式開關(guān)電源的方案，用電力MOS管代替肖特基二極管以減小損耗；d.優(yōu)化軟件控制算法，進(jìn)一步減小電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。

[1]沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

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