開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的研究

薛佩姣， 呂 燕， 張洪洋

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 上海 200070

開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的研究

薛佩姣， 呂 燕， 張洪洋

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 上海 200070

以C8051F410型單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心，采用半橋全波式DC/DC變換電路，基于TL494芯片調(diào)制脈寬，設(shè)計(jì)了一套開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。通過關(guān)鍵性能指標(biāo)測試，確認(rèn)該系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流可按任意設(shè)定比例分配，供電效率、短路保護(hù)閾值電流、最大紋波電壓等參數(shù)均良好。

開關(guān)電源； 并聯(lián)供電； 設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，各種電子裝置對電源的要求也越來越高。開關(guān)電源具有功耗小、效率高(可達(dá)70%～95%)、體積小、穩(wěn)壓范圍寬、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點(diǎn)[1]，已逐漸取代線性電源。受構(gòu)成電源模塊器件性能的影響，單一開關(guān)電源模塊已無法滿足負(fù)載功率的要求，因此需要開發(fā)一套多臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。

許多學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的研究。張維[2]基于當(dāng)前流行的單片集成開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)了一款三路輸出小功率單端隔離式反激開關(guān)電源，性能良好，但電源效率仍有待提高。謝福波[3]設(shè)計(jì)了一種開關(guān)電源脈寬調(diào)制(PWM)的控制芯片，經(jīng)仿真驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期結(jié)果，但尚未應(yīng)用于實(shí)際。趙慶苓[4]基于UC3842高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，設(shè)計(jì)了一種開關(guān)電源保護(hù)電路，但在實(shí)際應(yīng)用中需選用幾種保護(hù)電路組合的方式構(gòu)成完善的保護(hù)系統(tǒng)。

根據(jù)以上研究，對DC/DC變換電路、脈沖控制單元和單片機(jī)的類型進(jìn)行比較，并分析了DC/DC變壓器的穩(wěn)壓、雙模塊均流及過流保護(hù)方法，從而設(shè)計(jì)了一套輸出電壓穩(wěn)定、輸出電流可按任意比例分配的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。

1 方案選擇

1.1 DC/DC變換電路程式的選擇

DC/DC變換器可將固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，也稱直流斬波。電路的具體程式有以下幾種。

(1) 單端正激式。單端正激變換電路既無直通的危險(xiǎn)，又沒有變壓器偏磁、磁飽和問題，可靠性高。但其功率變換器磁心利用率低，效率較低，一般適用于小功率電路。

(2) 單端反激式。單端反激電路原理簡單，控制方便，但在輸出功率相同的情況下，功率管通過的電流大，導(dǎo)通壓降大，損耗也大，因此效率和可靠性較低。

(3) 半橋全波式。半橋全波式電路的效率較高，適用于中大功率的場合。

(4) 全橋式。全橋式電路的功率最大，效率較低，但直通現(xiàn)象和變壓器單向偏磁問題會(huì)影響電路的性能和效率。

考慮到效率問題，采用第3種方案。

1.2 脈寬控制單元的選擇

方案一： 采用TL494型芯片調(diào)制脈寬。TL494內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器及輸出電路等組成，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓可由用戶任意設(shè)定，便于單片機(jī)控制。同時(shí)，該芯片的15、16引腳與外接電阻構(gòu)成反向比例運(yùn)算放大電路，可起到限流保護(hù)的作用。

方案二： 采用UC3842型芯片調(diào)制脈寬。UC3842芯片的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5V，且固定不變，因此用戶無法自行設(shè)定，不便于單片機(jī)控制。

鑒于以上分析，采用方案一。

1.3 單片機(jī)的選擇

方案一： 采用AT89S52型單片機(jī)。該單片機(jī)使用方便，但內(nèi)部沒有模數(shù)采樣模塊，無法對模塊實(shí)現(xiàn)PWM控制，且輸出端帶負(fù)載能力差。

方案二： 采用PIC16F72型單片機(jī)。該單片機(jī)運(yùn)行速度快，功耗低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但僅有1個(gè)可實(shí)現(xiàn)捕捉、比較、PWM的模塊，無法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊的PWM控制。

方案三： 采用C8051F410型單片機(jī)。該單片機(jī)指令執(zhí)行速度快，內(nèi)部具有12位模數(shù)和數(shù)模采樣模塊，轉(zhuǎn)換精度高，并有6個(gè)捕捉、比較、PWM模塊，足以實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)模塊的PWM控制[5]。

系統(tǒng)中要求對兩個(gè)獨(dú)立模塊進(jìn)行PWM控制，因此采用方案三。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)以上分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示，主要包括主回路、中央處理器(CPU)、信號處理電路、脈寬控制電路和輸入設(shè)定輸出顯示電路。

圖1 供電系統(tǒng)總體硬件框圖

2.1 主回路

半橋式供電主回路如圖2所示，包括半橋逆變電路、全波整流電路、濾波電路及電流電壓檢測電路。圖中Q3、Q4、C10、C11、R9、R10組成半橋逆變電路，R9、R10起均壓作用。D3、D4及變壓器組成輸出全波整流電路。R7、R8、C13、C14組成RC吸收電路并聯(lián)在D3、D4兩端，用于抑制整流二極管兩端的過電壓[6]。L2、C15組成LC濾波電路，L2使電流波形變得平滑，C15起穩(wěn)壓作用，濾除高頻成分，且使輸出電壓進(jìn)一步平滑，提高帶負(fù)載能力。通過R11的電壓，檢測輸出電流，從而進(jìn)行電壓采樣。通過R14間接得到輸出電壓，可檢測電壓。

圖2 供電系統(tǒng)主回路

2.2 CPU及信號處理電路

系統(tǒng)回路控制部分采用C8051F410型8位單片機(jī)進(jìn)行控制,如圖3所示。C8051F410具有1個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和2個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，另有2304Byte隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、24個(gè)輸入輸出引腳、4個(gè)16位通用定時(shí)器(計(jì)數(shù)器)、2個(gè)16位PWM模塊。單片機(jī)的P0.0腳為PWM模塊信號輸出腳，輸出信號經(jīng)過簡單的有源二階低通濾波電路，再經(jīng)過分壓電路后與TL494的2腳相接。系統(tǒng)主回路中檢測到的電壓、電流及溫度經(jīng)穩(wěn)壓、濾波、放大、電壓跟隨后反饋回單片機(jī)，以調(diào)節(jié)脈沖寬度，從而使電壓、電流、溫度穩(wěn)定。圖3中ICL7660型芯片的作用是將輸入的電平反轉(zhuǎn)，可將+5V反轉(zhuǎn)為-5V，為運(yùn)放供電。

圖3 C8051F410型單片機(jī)信號處理電路

2.3 脈寬控制電路

系統(tǒng)對脈寬調(diào)制采用電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路TL494型芯片，其內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器及輸出電路等組成。

采用TL494型芯片構(gòu)成的脈寬控制電路如圖4所示。Q1至Q4構(gòu)成了H橋驅(qū)動(dòng)電路，為正確驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路，采用TL494的13腳與14腳相接的推挽輸出方式[7]。閉環(huán)反饋信號和回路控制直流電壓分別接1腳、2腳，通過TL494的誤差放大器，即1腳和2腳進(jìn)行比較放大，進(jìn)而控制脈沖寬度。9腳和10腳信號正比于脈沖寬度，交替輸出來驅(qū)動(dòng)H橋驅(qū)動(dòng)電路，使Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)Q2、Q3截止，Q1、Q4截止時(shí)Q2、Q3導(dǎo)通，從而通過變壓器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)半橋功率變換器的功能。

圖4 脈寬控制電路

H橋驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)的電流流向如圖5、圖6所示。

圖5 Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)電流流向

圖6 Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)電流流向

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是基于開發(fā)平臺(tái)的匯編程序軟件，具有友好的人機(jī)界面。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括輸入顯示模塊、單片機(jī)PWM模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊三部分，開發(fā)過程中按模塊化設(shè)計(jì)思想[8]，劃分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和相應(yīng)的調(diào)試工作，不僅可以分工協(xié)作，而且有利于整機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試與修改。

3.1 輸入和顯示模塊

輸入模塊： 鍵掃描由TM1688自動(dòng)完成，完成一次鍵掃描需要2個(gè)顯示周期，一個(gè)顯示周期大約為8×500μs。系統(tǒng)的鍵盤一共有16個(gè)鍵，具有開始、設(shè)定、切換等功能。單片機(jī)先發(fā)出讀鍵命令，開始讀取按鍵數(shù)據(jù)BYTE0至BYTE4字節(jié)，數(shù)據(jù)從低位開始輸出[9]。TM1668最多可以讀5Byte，不允許多讀,讀取字節(jié)只能按順序從BYTE0至BYTE4，不可以跨字節(jié)讀取。

顯示模塊： 寄存器從外部器件傳送至TM1668的數(shù)據(jù)，地址從00H至0DH共14Byte單元，分別與芯片SEG和GIRD管腳所接的發(fā)光二極管(LED)對應(yīng)。LED采用共陰極數(shù)碼管顯示，顯示流程如圖7所示。

圖7 顯示程序流程圖

3.2 單片機(jī)PWM模塊

系統(tǒng)中采用單片機(jī)PWM模塊實(shí)現(xiàn)回路控制信號的輸出。C8051F410型單片機(jī)的定時(shí)器有捕捉、比較和PWM三種工作模式，在使用時(shí)必須先進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，定時(shí)器用于PWM工作模式的初始化流程如圖8所示。

圖8 PWM初始化流程圖

3.3 單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模擬量采集是數(shù)字系統(tǒng)必不可少的組成部分，本系統(tǒng)采用C8051F410自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對閉環(huán)反饋信號進(jìn)行采集和數(shù)字處理。C8051F410的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可配置到任意端口，使用4個(gè)完整的專用寄存器，分別用于兩模塊輸出電流、輸出電壓、溫度信號的轉(zhuǎn)換。

4 性能測試

考察系統(tǒng)的輸出電壓/電流穩(wěn)定性、效率、短路保護(hù)閾值電流等性能參數(shù)。

4.1 額定輸出時(shí)的系統(tǒng)效率

調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率狀態(tài)，此時(shí)2個(gè)DC/DC模塊輸出電流均為2A，其余測試值見表1。

表1 額定輸出功率下的測試值

項(xiàng)目測量值1測量值2測量值3Uo/V7.927.887.90Io/A4.024.044.05IIN/A1.831.841.85η72.5%72.1%72.1%

由表1可知，兩模塊為額定輸出時(shí)，效率最低為72.1%，高于一般開關(guān)電源。

4.2 系統(tǒng)輸出電壓/電流穩(wěn)定性

(1) 調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0V，使兩模塊輸出電流之和Io=1.0A，且按I1∶I2=1∶1分配，測試結(jié)果見表2。

表2 第一組系統(tǒng)輸出電壓/電流穩(wěn)定性測試值

項(xiàng)目測量值1測量值2測量值3Uo/V8.078.078.07I1/A0.520.490.49I2/A0.480.520.52δ14%2%2%δ24%4%4%

由表2可知，輸出電壓穩(wěn)定在8.07V，相對誤差小于1%，模塊1和模塊2輸出電流的誤差小于5%。

(2) 調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0V，使兩模塊輸出電流之和Io=1.5A，且按I1∶I2=1∶2分配，測試結(jié)果見表3。

表3 第二組系統(tǒng)輸出電壓/電流穩(wěn)定性測試值

項(xiàng)目測量值1測量值2測量值3Uo/V8.048.048.06I1/A0.520.520.52I2/A1.010.990.99δ14%4%4%δ21%1%1%

由表3可知,輸出電壓從8.04V變化到8.06V，相對誤差小于1%，模塊1和模塊2輸出電流的誤差小于5%。

4.3 其它參數(shù)

(1) 短路保護(hù)閾值電流。要求系統(tǒng)具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為4.5A。經(jīng)測試，系統(tǒng)加入限流保護(hù)后，兩DC/DC模塊的最大輸出電流分別為2.2A和2.3A,則負(fù)載電流最大為4.5A，未超過規(guī)定的閾值電流。

(2) 最大紋波電壓。調(diào)整負(fù)載電阻，使兩模塊輸出電流之和為Io=4.0A，且按I1∶I2=1∶1分配，用示波器測出輸出電壓波形，可以得到最大紋波電壓僅為 40mV，符合設(shè)計(jì)規(guī)范小于 50mV 的要求，干擾較小。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一套開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩套并聯(lián)輸出的DC/DC模塊組成，DC/DC模塊由主回路、信號處理電路和脈寬控制電路等組成。通過C8051F410型單片機(jī)控制，保證輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流可按任意指定比例分配，從而向負(fù)載供電。經(jīng)測試，本供電系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，效率可達(dá)72.1%，最大紋波電壓僅為40mV,電壓調(diào)整率為0.2%,負(fù)載調(diào)整率為-0.05%,散熱性能好，具有溫度保護(hù)功能，是理想的供電系統(tǒng)。

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A parallel operation system with switching power supply modules was designed by taking the minimum system of C8051F410 microcontroller as the core for control and adopting full-wave half-bridge DC/DC converter and based on TL494 chip for pulse width modulation. By testing its key performance indicators it is found that the output voltage of the system is stable , the output current can be set at any proportional distribution, its supply efficiency, short circuit protection, threshold current and maximum ripple voltage and other parameters are excellent.

Switching Power Supply； Parallel Operation； Design

2016年1月

薛佩姣(1990— )，女，碩士，工程師，主要從事工業(yè)機(jī)器人研發(fā)工作， E-mail： xpcpearl@163.com

TM910.2;TH86

A

1674-540X(2016)03-048-06