開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

劉 釗，楊進(jìn)華

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為16W的8V DC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。

調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓U0=8.0±0.4V。額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于60%。

設(shè)計(jì)思路:如圖1所示，設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分。硬件部分采用TL494產(chǎn)生PWM，來(lái)控制Buck電路的場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，經(jīng)過(guò)反饋，從而控制輸出電壓。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，R3為負(fù)載電阻，R1和R2構(gòu)成串聯(lián)分壓取樣，將取得的電壓反饋回來(lái)通過(guò)單片機(jī)的AD進(jìn)行采集從而構(gòu)成閉環(huán)控制。軟件部分通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM低通濾波后給模塊提供控制電壓，從而對(duì)硬件進(jìn)行控制。

圖1 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 BUCK電路結(jié)構(gòu)框圖

TL494輸出PWM端后級(jí)接上一個(gè)小的推挽輸出電路，然后再連上MOSFET管的柵極。如圖2所示，后級(jí)使用了典型的BUCK電路，降壓效率高，控制方便。

采用電流檢測(cè)芯片MAX472來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度電流采樣。單片機(jī)輸出PWM低通濾波后輸出，成本低，控制快，線性度底，容易控制。大功率肖特基二極管MBR10200。MBR10200最大整流電流為10A，最大反向電壓為200V，價(jià)格便宜，反向恢復(fù)速度快，噪聲低。用Nokia5110液晶顯示屏顯示參數(shù)。Nokia5110液晶顯示屏能顯示測(cè)試參數(shù)，屏幕小巧，省電，顯示中文字時(shí)需要自己提取字模。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 TL494 芯片

TL494是一種恒頻脈寬的調(diào)制控制器，推挽/單端輸出，工作頻率為1～300kHz，輸出電壓可達(dá)10V，內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，振蕩器可外同步，死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，輸出級(jí)的拉灌電流可達(dá)200mA。

2.2 Buck電路

TL494產(chǎn)生的PWM后經(jīng)過(guò)一對(duì)互補(bǔ)配對(duì)的三極管推挽輸出后進(jìn)入Buck電路。當(dāng)PWM控制場(chǎng)效應(yīng)管打開(kāi)時(shí)，24V電源給電感L1和電容C3充電，同時(shí)也給后面的電路供電;當(dāng)PWM控制場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)，L1和C3放電來(lái)維持后面電路的供電，按照這個(gè)過(guò)程循環(huán)下去，得到的是一個(gè)可以控制的直流信號(hào)。本系統(tǒng)采用的是電感電流連續(xù)模式。Buck電路又稱為降壓變換器電路，如圖3所示。

圖3 Buck電路

Buck電路分為電感電流連續(xù)工作模式和電感電流不連續(xù)工作模式。

連續(xù)工作模式:當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，這時(shí)等效電路圖如圖4(a)所示，電感電流iL=iS≠0流過(guò)電感線圈L，在電感未飽和前，電感處于充電狀態(tài)，電流線性增加。流過(guò)負(fù)載R的電流為I0，兩端輸出電壓為V0，極性為上正下負(fù)。當(dāng)iL＞I0時(shí)，電容在充電狀態(tài)。這時(shí)二極管D1在承受反向電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，這時(shí)等效電路圖如圖4(b)所示，iS=0，由楞次定律可知電感線圈L將改變線圈兩端的極性，以保持iL的不變。這時(shí)負(fù)載R的極性仍是上正下負(fù)，電感在放電狀態(tài)。當(dāng)iL＜I0時(shí)，電容處于放電狀態(tài)，以維持I0、V0不變。這時(shí)二極管承受正向偏壓構(gòu)成通路，故稱該二極管為續(xù)流二極管。等到下一個(gè)周期到來(lái)時(shí)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，電感又開(kāi)始充電。由于該電路輸出電壓V0小于電源電壓VS，所以稱它為降壓變換器。

圖4 等效電路圖

不連續(xù)工作模式:當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，這時(shí)電感電流iL=iS=0流過(guò)電感線圈L，在電感未飽和前，電感處于充電狀態(tài)，電流線性增加。流過(guò)負(fù)載R的電流為I0，兩端輸出電壓為V0，極性為上正下負(fù)。當(dāng)iL＞I0時(shí)，電容在充電狀態(tài)。這時(shí)二極管D1在承受反向電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，這時(shí)iS=0，電感線圈L改變線圈兩端的極性，以保持iL的不變。這時(shí)負(fù)載R的極性仍是上正下負(fù)，電感在放電狀態(tài)。當(dāng)iL＜I0時(shí)，電容處于放電狀態(tài)，以維持I0、V0不變。這時(shí)二極管承受正向偏壓構(gòu)成通路。等到下一個(gè)周期到來(lái)時(shí)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，電感又開(kāi)始充電。波形如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可以在保持輸出電壓不變的情況下，通過(guò)改變負(fù)載電阻的方式，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流總和及輸出電流I1、I2的比例，或者通過(guò)設(shè)定I1、I2的比例，然后通過(guò)調(diào)節(jié)電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電流值，因此，需采用兩種不同的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。除負(fù)載電阻由手動(dòng)設(shè)定電流比例外，其余部分不允許手動(dòng)干預(yù)，所以本方案采取通過(guò)設(shè)置外部中斷，由旋轉(zhuǎn)編碼開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)I1、I2的比例因數(shù)時(shí)觸發(fā)中斷，在中斷之中切換模式。

軟件流程圖如圖6所示。

圖5 Buck電路兩種工作模式波形圖

圖6 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)測(cè)試儀器與方法

系統(tǒng)測(cè)試主要儀器有數(shù)字式萬(wàn)用表DT9205，以及一個(gè)5位半的高精度電壓表和一個(gè)10毫歐的精密電阻。

首先利用10毫歐的精密電阻作為采樣電阻，用于采集干路和支路的電流，用5位半的高精度電壓表就能測(cè)出很高精度的電流。本電路使用這種高精度的測(cè)量方法用于校準(zhǔn)輸出電流與控制輸出的關(guān)系，從而達(dá)到高精度的輸出。

4.2 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試，達(dá)到的指標(biāo)和完成的功能如表1所示。

表1 完成的功能和達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本系統(tǒng)中的DC/DC模塊具有較高的效率，額定負(fù)載時(shí)為82.5%;

(2)采用了單片機(jī)STM32產(chǎn)生PWM來(lái)提供基準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可控性;

(3)采用由外部硬件采集電流，由軟件來(lái)判斷實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

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