一種高精度開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的研究

陳小橋， 陳 慧， 李 俊， 張 令

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 引 言

在諸如空間站、基站、計(jì)算機(jī)服務(wù)器等需要大功率、高精度不間斷供電的電源系統(tǒng)場(chǎng)合中，單個(gè)開關(guān)電源已經(jīng)不能夠滿足設(shè)備的正常供電需求［1-3］。采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的技術(shù)已成為大功率分布式電源的重要組成部分。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并制作了一種以ARM 微處理器TM4C123G 為控制核心的高精度開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)，系統(tǒng)以兩路同步Buck 降壓模塊并聯(lián)為主回路，通過電壓電流采樣反饋和微處理器的雙環(huán)PID 調(diào)節(jié)，保持輸出端電壓穩(wěn)定，并可設(shè)置兩路Buck電路輸出電流以任意比例分配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)兩路設(shè)定比例分配的輸出電流相對(duì)誤差在0.1%之內(nèi)，輸出的電壓穩(wěn)定在0.6%的相對(duì)誤差內(nèi)波動(dòng)，在額定功率時(shí)效率可高達(dá)90%，具有精度高、穩(wěn)定性好和效率高的特點(diǎn)。

1 原理介紹

1.1 DC-DC 變換器穩(wěn)壓方法

系統(tǒng)主回路的單路同步降壓Buck 電路［1-6］，由TM4C123G 產(chǎn)生兩路頻率相同相位相反的PWM 波控制單路Buck 電路中的兩個(gè)MOSFET 管Q1、Q2 交替導(dǎo)通。為了防止兩個(gè)MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通造成短路損害電源，必須增加死區(qū)時(shí)間的設(shè)置［7-11］，兩路PWM 波形如圖1 所示。

圖1 單路DC/DC PWM 波控制波形

圖中:TS為PWM 波的周期;D1和D2分別為高邊Q1 和低邊Q2 的導(dǎo)通時(shí)間占空比。同理，可適用于另一路Buck 降壓電路，設(shè)它的高邊和低邊MOSFET 管的導(dǎo)通時(shí)間占空比為D3和D4。由Buck 降壓電路原理可得，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的關(guān)系為

系統(tǒng)兩路開關(guān)并聯(lián)模塊可抽象為如圖2 所示的數(shù)學(xué)模型。Uo是DC/DC 模塊輸出直流電壓，R1、R2為兩路輸出直流等效電阻，負(fù)載電阻RL被兩路共享。由于單路Buck 的兩路PWM 波形同頻反相且存在死區(qū)時(shí)間，故D1+D2=C(常數(shù))≠1。

圖2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

其中一路Buck 降壓電路輸出電壓為

由基爾霍夫電流定理可得

當(dāng)兩路電流設(shè)定比例為I1/I2=n 時(shí)，聯(lián)立Uo=RL(I1+I2)，可得:

由式(5)和(6)可得，在輸入電壓穩(wěn)定，死區(qū)時(shí)間不變的情況下，調(diào)整負(fù)載，進(jìn)行輸出端電壓采樣，TM4C123G 通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)的處理先同時(shí)調(diào)整兩路的PWM 波使輸出電壓穩(wěn)定，在保持兩路PWM 波輸出占空比值不變的情況下，微調(diào)兩路的PWM 波以改變兩路輸出電流之比，使系統(tǒng)具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的輸出。由于系統(tǒng)兩路Buck 模塊的等效輸出電阻不會(huì)完全相同，所以在調(diào)節(jié)輸出電流反饋的同時(shí)加入電壓反饋，在雙環(huán)PID 的控制下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

1.2 均流方法

本系統(tǒng)采用主從均流［12-15］的方法實(shí)現(xiàn)兩路輸出電流按設(shè)定比例分配。用戶通過鍵盤設(shè)定兩路輸出電流的比例為n，系統(tǒng)先檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出時(shí)，設(shè)一路電流值為I1，則另一路電流值為I2，測(cè)量?jī)陕份敵鲭娏鞑⑴袛郔2/I1=n 是否成立，若不成立，則以I1為參考電流，假設(shè)此時(shí)兩路輸出電流已滿足一定比例分配，那么另一路輸出電流理論值應(yīng)為nI1，比較其實(shí)際與理論的差值可得ΔI2，根據(jù)誤差值選擇合適的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，每次調(diào)節(jié)占空比后重新檢測(cè)電壓和兩路電流值，進(jìn)入下一次循環(huán)，通過這種數(shù)字閉環(huán)反饋主從控制方法最終實(shí)現(xiàn)均流輸出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)整體電路框圖

2.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由并聯(lián)模塊、反饋回路、控制部分、保護(hù)電路和輔助電源組成，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。主回路為兩個(gè)同步Buck 降壓模塊并聯(lián);反饋回路為雙路電流采樣電路和輸出電壓采樣電路;控制部分以ARM 微處理器TM4C123G 為核心，調(diào)控PWM 驅(qū)動(dòng)電路;保護(hù)電路對(duì)過流和短路情況進(jìn)行保護(hù)，并在故障解除后自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài);輔助電源為整個(gè)系統(tǒng)的芯片進(jìn)行供電，保證其正常工作。本系統(tǒng)以微處理器為控制核心，利用雙環(huán)PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)，使輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流比例精確控制，抗干擾性強(qiáng)，效率高。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

作為本系統(tǒng)的控制核心，ARM 微處理器TM4C123G 具有非常優(yōu)良的特性。TM4C123G 是美國(guó)Texas Instruments 公司生產(chǎn)的高性能、低成本的32 位處理器，帶有高效的指令集和特別優(yōu)化的設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的能耗效率和更快的中斷處理。本系統(tǒng)利用TM4C123G 高達(dá)80 MB 的運(yùn)行速度，產(chǎn)生20 kHz 的PWM 波，最小調(diào)整占空比精度可達(dá)2.5 ×10－4，符合IEEE754 的單精度浮點(diǎn)單元將采樣電路得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而使PID 調(diào)節(jié)更加精確有效。

2.3 主電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用驅(qū)動(dòng)芯片UCC27211 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該芯片利用自舉電容和自舉二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。此驅(qū)動(dòng)電路可以提高系統(tǒng)的可靠性，降低開關(guān)管的能量損耗并且減少EMI 和EMC。開關(guān)管選取IRF540N，它的導(dǎo)通電阻為77 MΩ，耐壓值高，能夠降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體效率。后接LC 低通濾波電路，濾除高次諧波使輸出電壓穩(wěn)定。電路圖如圖4 所示。同理，另一路同步Buck 降壓電路結(jié)構(gòu)也如圖4 所示。

圖4 單路同步Buck 降壓電路

2.4 電流電壓采樣電路

為了提高采樣電壓電流數(shù)據(jù)的精確度，本系統(tǒng)采用美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的24 b 高速AD 轉(zhuǎn)換器ADS1256進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。該采樣芯片內(nèi)置四階ΔΣ 轉(zhuǎn)換模塊，有8 個(gè)采樣通道，具有采樣精度高、噪聲小且反饋速度快的特點(diǎn)。進(jìn)行電流采樣時(shí)，利用具有低電阻溫度系數(shù)、寬使用溫度范圍、焊接性能良好的康銅絲作為電流檢測(cè)電阻。進(jìn)行輸出電壓采樣時(shí)，對(duì)輸出端電壓采用分壓網(wǎng)絡(luò)并將分壓后的電壓通過放大器送入采樣芯片輸入口。ADS1256 對(duì)三個(gè)輸入端的信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采樣，并將采樣數(shù)據(jù)送給控制器進(jìn)行處理。電路圖如圖5 所示。

圖5 電壓電流采樣電路

2.5 輔助電源

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)12V 和5V 輔助電壓的需求，采用美國(guó)TI 公司的開關(guān)穩(wěn)壓芯片TPS54160 和TPS54340。TPS54160 是具有3.5 ～60 V 寬輸入電壓范圍，1.5 A輸出的降壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器，能將輸入電壓降壓為12 V，電路圖如圖6 所示。該器件內(nèi)部集成FET，可顯著降低能耗，提高系統(tǒng)效率。TPS54340 內(nèi)置MOSFET，外圍電路簡(jiǎn)單，效率高且內(nèi)置基準(zhǔn)電壓，它為系統(tǒng)產(chǎn)生5 V 的輔助電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先進(jìn)行各模塊的初始化，然后通過電壓PID 調(diào)節(jié)使Buck 電路輸出電壓降壓為額定值，待輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行多次快速電流PID 調(diào)節(jié)，使從路電流逼近用戶設(shè)定的主從路電流比，同時(shí)進(jìn)行過流檢測(cè)及保護(hù)，還有鍵盤掃描和LCD 屏幕顯示的設(shè)置。系統(tǒng)的程序流程圖如圖7 所示。

4 結(jié) 語

本文基于開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)在現(xiàn)代大功率電源中發(fā)揮的重要作用，設(shè)計(jì)并制作了一套以ARM 微處理器TM4C123G 為控制核心的高精度開關(guān)電源并聯(lián)模塊供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于DC/DC 模塊穩(wěn)壓原理、均流控制以及電路中各種去除噪聲和減少耗能的措施。該系統(tǒng)經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試后取得了良好的效果，額定功率時(shí)效率可高達(dá)90%，兩路設(shè)定比例分配的輸出電流相對(duì)誤差在0.1%之內(nèi)，輸出的電壓穩(wěn)定在0.6%的相對(duì)誤差內(nèi)波動(dòng)。本系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定可靠和效率高的特點(diǎn)，可滿足實(shí)用需求。

圖6 TPS54160 輔助電源

圖7 程序流程圖

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