可調(diào)電流比例開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

楊敏 呂霜 歐進(jìn)發(fā)

摘 要： 為了滿足大功率負(fù)載的供電需求，電源系統(tǒng)往往需要多個(gè)開關(guān)電源模塊并聯(lián)。由于不同電源模塊之間的外特性有差異，直接并聯(lián)不能保證供電系統(tǒng)正常工作，需要按各模塊的輸出能力分擔(dān)電流。為此，采用主從設(shè)置法設(shè)計(jì)一款開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)主要部分是兩個(gè)DC?DC開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊和電流測控系統(tǒng)。其中，開關(guān)電源模塊的核心器件為LM2596調(diào)節(jié)器；集成運(yùn)算放大器LM358用于電流信號(hào)的放大；電壓比較器LM393用于比較主模塊和從模塊的電流值，并將比較結(jié)果返回從模塊，從而起到控制兩路電流比例的作用。當(dāng)系統(tǒng)的總電流超過設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)過流保護(hù)功能。經(jīng)過測試，該設(shè)計(jì)能夠很好地實(shí)現(xiàn)兩路電流比為2∶1，1∶1及其他比例的分配，電流相對誤差小于2%，效率達(dá)到70%以上。

關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源； 并聯(lián)運(yùn)行； 均流； 主從設(shè)置法； 可調(diào)電流比例； 過流保護(hù)

中圖分類號(hào)： TN86?34； TM13； TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）14?0122?04

A switching power supply module parallel power supply system

with adjustable current ratios

YANG Min， L? Shuang， OU Jinfa

（School of Information Engineering， Wuyi University， Jiangmen 529020， China）

Abstract： Multiple switch power supply modules need to be connected in parallel in the power supply system to meet the power supply demand of high?power load. As there exist differences between the external characteristics of different power supply modules， a direct parallel connection cannot guarantee the normal work of the power supply system， and the current should be distributed according to output capability of each module. Therefore， a power supply system with parallel connection of switching power supply modules is designed by using the master?slave setting method. The main part of the design is composed of two DC?DC switching stabilized voltage power supply modules and the current measurement and control system. The core device of the switching power supply module is LM2596 regulator. The integrated operational amplifier LM358 is used to amplify the current signal. The voltage comparator LM393 is used to compare the current values of the master module and slave module and return the comparison results to the slave module， so as to control the ratios of two currents. When the total current of the system is higher than the set value， the over?current protection function is enabled. The test results show that the design can realize the distribution of 2∶1， 1∶1 and other ratios of two currents， with relative errors of currents lower than 2% and efficiencies over 70%.

Keywords： switching power supply； parallel operation； current sharing； master?slave setting method； adjustable current ratio； over?current protection

如今許多用電設(shè)備對電源的要求越來越高，這使得開關(guān)電源向大功率和高效率方向發(fā)展[1]。受到磁性材料和半導(dǎo)體功率器件本身特性的影響，單個(gè)大功率開關(guān)電源的制作就受到了限制[2]。此時(shí)將多個(gè)小功率開關(guān)電源進(jìn)行并聯(lián)使用以代替單個(gè)大功率開關(guān)電源的優(yōu)勢漸漸體現(xiàn)出來，多電源并聯(lián)系統(tǒng)成為開關(guān)電源發(fā)展方向之一[3?4]。

開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)是將多個(gè)小功率開關(guān)電源模塊以“積木式”并聯(lián)組合起來的智能化大功率開關(guān)電源系統(tǒng)。其相對于單個(gè)大功率電源系統(tǒng)有靈活性高、可靠性高、縮短研發(fā)周期、方便實(shí)現(xiàn)N+m冗余供電和方便維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5]。實(shí)際應(yīng)用中，并聯(lián)電源模塊之間外特性不一致，需要按各模塊的輸出能力分擔(dān)電流，因此，并聯(lián)電源系統(tǒng)中很有必要引入分流控制方案[6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的總體系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)DC?DC電源模塊（兩模塊均為額定功率16 W，輸出電壓8 V）、電流測控電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)及顯示和輔助電源模塊等部分組成。并聯(lián)開關(guān)電源供電系統(tǒng)輸入為24 V直流電壓，輸出8 V直流電壓，輔助電源給電流測控電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)和過流保護(hù)電路供電。系統(tǒng)采用主從設(shè)置法控制各模塊電流分配[2，6]。DC?DC電源模塊1為主模塊，模塊2為從模塊，兩模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，電流測控電路檢測兩個(gè)模塊的電流并進(jìn)行比較，反饋回從模塊，以調(diào)節(jié)兩路電流比例。單片機(jī)控制系統(tǒng)采集兩路電流值數(shù)據(jù)并用LCD1602顯示出來，內(nèi)部設(shè)置過流保護(hù)電流閾值，當(dāng)電流超過4.5 A時(shí)，單片機(jī)控制過繼電器打開，使并聯(lián)電源系統(tǒng)與負(fù)載斷開，從而達(dá)到保護(hù)電路的目的。

1.1 DC?DC電源模塊設(shè)計(jì)

DC?DC電源模塊電路如圖2所示。核心器件為LM2596，調(diào)節(jié)RP2可以調(diào)節(jié)輸出電壓。兩個(gè)電源模塊電路相同。R11取值在240 Ω～1.5 kΩ之間，因?yàn)檫^大的阻值會(huì)使噪聲對電壓反饋造成影響[7]，故選擇R11值為1 kΩ，精度為1%的電阻。由式（1）可得[7]，若輸出電壓VOUT=8 V，則RP2=5.5 kΩ。

[RP2=R11VOUTVREF-1] （1）

式中，VREF=1.235 V。

1.2 電流測控電路設(shè)計(jì)

電流測控電路如圖3所示。電路核心器件是一個(gè)集成運(yùn)算放大器LM358和一個(gè)電壓比較器LM393，LM358為雙路運(yùn)放（運(yùn)放A，運(yùn)放B），內(nèi)部兩個(gè)運(yùn)放都分別設(shè)計(jì)成差分放大電路[8?10]。

在每個(gè)開關(guān)電源模塊的輸出端分別都串聯(lián)阻值為0.1 Ω的采樣電阻，為了減小大電流時(shí)溫度升高產(chǎn)生的溫度漂移，將4個(gè)0.1 Ω電阻兩兩串聯(lián)再并聯(lián)。每個(gè)開關(guān)電源模塊的電流流經(jīng)各自的采樣電阻，模塊1（主模塊）采樣電阻兩端的信號(hào)放大后經(jīng)過由R27，R28和RP15構(gòu)成分壓電阻網(wǎng)絡(luò)后輸入電壓比較器LM393同相端，模塊2（即從模塊）的電流信號(hào)放大后直接輸入電壓比較器的同相端。

電壓比較器將比較的結(jié)果Vout1反饋回模塊2的反饋端（LM2596的4腳），從而對兩模塊的電流進(jìn)行控制。當(dāng)撥碼開關(guān)全部閉合時(shí)，比較器反相端電壓為LM358放大后電壓，此時(shí)，控制電流分配比例是1∶1；當(dāng)撥碼開關(guān)14閉合、23打開時(shí)，比較器反相端電壓為LM358放大后電壓的[12]，控制電流分配比例是1∶2；當(dāng)撥碼開關(guān)14打開、23閉合時(shí)，調(diào)節(jié)RP15即可調(diào)節(jié)電流分配比例。

1.3 單片機(jī)測控系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)電路如圖4所示。單片機(jī)為STC12C5A60S2，利用其自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采集兩個(gè)模塊的電流信號(hào)，用LCD1602進(jìn)行顯示電流值。在單片機(jī)程序內(nèi)設(shè)置過流閾值，當(dāng)兩路電流值相加超過4.5 A時(shí)，P3.7輸出高電平，以控制過流保護(hù)電路中的繼電器打開，并進(jìn)行延時(shí)；延時(shí)結(jié)束閉合繼電器。

1.4 輔助電源設(shè)計(jì)

由于電流測控電路需要12 V供電，單片機(jī)控制系統(tǒng)需要5 V供電。12 V輔助電源模塊仍然使用LM2596作為核心器件用于設(shè)計(jì)，如圖5所示。

5 V電源核心器件為三端集成穩(wěn)壓器LM7805，由12 V輔助電源輸入12 V電壓，經(jīng)過LM7805后輸出5 V的電壓，如圖6所示。

1.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

2 系統(tǒng)測試

調(diào)整負(fù)載電阻從1 000～2 Ω，測試并記錄系統(tǒng)輸出電壓UO數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表2可知，總電流1 A支路電流比例1∶1時(shí)，每個(gè)模塊電流相對誤差最大為1.19%，小于2%；由表3可知，每個(gè)模塊電流相對誤差為1.2%，小于2%，額定輸出功率下，效率最小值為78.36%，遠(yuǎn)大于70%；由表4可知，總電流4 A支路電流比例1∶1時(shí)，每個(gè)模塊電流相對誤差最大值為1%，遠(yuǎn)小于2%，效率最小值為72.52%。由表5可知，總電流1.5～3.5 A（支路電流范圍0.5～2.0 A）任意比例測試，每個(gè)模塊電流相對誤差最大值為1.052%，遠(yuǎn)小于2%，效率最小值為72.37%。

從上述表格可知，在總電流從1.5～3.5 A變化，支路電流可以按照任意比例調(diào)節(jié)，不同比例系數(shù)情況下，任意模塊輸出電流誤差均小于2%，效率均高于70%。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)，采用主從設(shè)置法對電源模塊之間的電流進(jìn)行控制，經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)中兩個(gè)電源模塊能夠按指定比例進(jìn)行電流分配的功能和系統(tǒng)過流保護(hù)功能。經(jīng)過測試，兩個(gè)模塊電流在指定比例下相對不超過2%，額定輸出功率下系統(tǒng)效率大于70%。

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