开关电源模块并联供电系统_张为堂

研究与设计

开关电源模块并联供电系统

张为堂，周泽华，李翠花，谭

敏

（合肥学院电子信息与电气工程系，安徽合肥230601）

摘要：基于Ｃ８０５１Ｆ００５单片机设计实现开关电源并联模块供电系统。系统由两块ＤＣ－ＤＣ模块并联而实现。每个ＤＣ－ＤＣ模块额定输出功率为１６Ｗ，系统的额定输出功率达３６Ｗ。输出电流在０．５￣４．４Ａ范围内变化时，单个ＤＣ－ＤＣ模块经扩流后输出电流可以达到０．５￣３．５Ａ任意可调，两个ＤＣ－ＤＣ模块电流按任意指定比例自动分配电流。电流分配方法采用主从均流法，控制精度很高，电路简单，效率高。经过测试，系统效率可达７８％，并具有负载短路保护功能。系统ＤＣ－ＤＣ模块使用雕刻机制板，提高稳定性和抗干扰能力。关键词：ＤＣ－ＤＣ；主从均流法；供电系统中图分类号：ＴＭ１３

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１２）１０－１５４９－０３

Switching power supply module parallel power supply system

ZHANG Wei-tang, ZHOU Ze-hua, LI Cui-hua, TAN Min

(Departmentof Electronic Engineering, Hefei University, Hefei Anhui 230601, China)

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣ８０５１Ｆ００５ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ，ａｐａｒａｌｌｅｌｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｗｏｂｌｏｃｋｓｏｆＤＣ－ＤＣｍｏｄｕｌｅｐａｒａｌｌｅｌｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ＴｈｅｒａｔｅｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｅａｃｈＤＣ－ＤＣｍｏｄｕｌｅｗａｓ１６Ｗ，ａｎｄｔｈｅｒａｔｅｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｗａｓ３６Ｗ．Ｗｈｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｗａｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０．５－４．４Ａ，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｏｆｓｉｎｇｌｅＤＣ－ＤＣｍｏｄｕｌｅｃｏｕｌｄｒｅａｃｈ０．５－３．５Ａｗｉｔｈａｒｂｉｔｒａｒｙａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｏｆｔｗｏＤＣ－ＤＣｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｕｌｅｓｃｏｕｌｄｂｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｎｙｓｐｅｃｉｆｉｅｄｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅｃｕｒｒｅｎｔ－ｓｈａｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓａｄｏｐｔｅｄａｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｈｉｇｈｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｉｍｐｌｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｆｔｅｒｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｏｕｌｄｂｅｕｐｔｏ７８％．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｌｓｏｈａｄａｌｏａｄｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＴｈｅＤＣ－ＤＣｍｏｄｕｌｅｕｓｉｎｇｅｎｇｒａｖｉｎｇｐｌａｔｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎｔｉｊａｍｍｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ－ＤＣ；ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅｃｕｒｒｅｎｔ－ｓｈａｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ为获得稳定的供电电源，本文采用一电流型开关电源和电压型开关电源并联的供电系统，它们之间采用主从组合的工作方式。本文给出了系统具体的硬件电路设计和软件设计该系统能够长时间稳定方法，并进行了实物制作。经过测试，工作，各项指标完全达到或超过了最初的设计要求。

a. 使两个模块输出电流之和为1A 且按1∶1比例自动分配，误差不大于5%；

b. 使两个模块输出电流之和为1.5A 且按1∶2比例自动分配，误差不大于5%；

c. 使两个模块输出电流之和为4A 且按1∶2比例自动分配，误差不大于2%；

d. 使两个模块输出电流之和在1.5~3.5A 变化时，两个模块电流在0.5~2A 范围内能够按指定的比例自动分配，误差不大于2%。

１总体设计方案

１．１设计要求

本系统由两个额定输出功率为16W 的8V DC-DC 模块并联构成，输入为24V 的稳压电源，经两路DC-DC 并联最终输出电压为(8.0±0.4) V ，额定输出功率为32W ，能够实现在输出电流达到指定值时，通过两个DC-DC 模块的电流比按要求自动分配。系统满足要求如下：

（1）在额定输出功率下，系统输出直流电压为(8.0±0.4) V ，且效率不小于60%，尽可能提高效率。

（2）调整负载，保持输出(8.0±0.4) V 不变：

收稿日期：２０１２－０３－０８

基金项目：省教育厅自然科学一般项目支持（ＫＪ２０１１Ｂ１３６）作者简介：张为堂（１９７６—），男，安徽省人，硕士，实验师，主要研究方向为电机与电气。

１．２设计思路

为达到上述设计要求，系统采用两个DC-DC 变换电路并联实现。系统的效率、输出电压和两个DC-DC 模块的均流误差小是本设计的难点与重点[1-4]。两条支路电流分配服从主从即指定一DC-DC 模块为主模块，另一个为从模块。均流法[5]，

主模块工作于电压源方式，另一模块采用电流源方式。当设定基准值(VREF)发生变化时，反馈点电压与设定值比较控制输出连续信号，此信号作用于控制主模块，将连续的信号作为从模块的基准信号，将从模块的反馈电压与此信号比较控制从当主模块的输出电流为所需值。由于输出电流I 0保持不变时，

研究与设计

模块电流I 1增大时，由I 0=I 1+I 2知从模块电流会减小，所以不管两个模块电流如何分配，系统的输出总电流I 0总是相等。

计算得L =118μH ，用PE40磁芯绕制118μH 的电感。

２．２采样电路模块

在采样过程中，采用两种采样方法：电压取样电路———直接从反馈点反馈回8051的AD 端口，进行电压负反馈；电流—采用霍尔式直流互感器反相端作为输入端，同取样电路——

相端作为输出端，此时输出电压随电流的增大而减小。模块电路原理如图3所示。

２各功能模块的设计与实现

开关电源的硬件设计是整个系统设计的基础，只有在系统硬件设计可行、稳定可靠的前提下，其他控制方案才能得以继续。系统硬件主要包括DC-DC 模块、采样电路模块、过流保辅助电源模块，整体结构如图1所示。护模块、

图３电流取样电路

霍尔式直流互感器的输出电压与流经传感器的电流（允许范围内）成线性关系。通过互感器的电流为零时，输出电压

图１

系统结构框图

通过互感器的电流为6A ，故V-I 关系是：为2.5V ；

２．１ＤＣ－ＤＣ模块

采用串联型开关稳压电路，其原理如图2所示，在接负载情况下，利用反馈取样与给定电压值进行比较控制调整管Q1，将输入电压变成断续的矩形波电压，使V out 等于给定值，再经过LC 滤波使输出电压平稳，电路能够自动调整输出电其中q 为脉冲波形的占空比。压。输出电压值V out =qV in ，

V =2.5－I /3，根据这一关系式计算出电流。

２．３过流保护模块

采用继电器。将继电器串接到系统输入端，当检测到电流继电器断开，系统停止工作。大于设定值(4.5A) ，

３系统测试

系统软件流程如图4所示。

图２串联型开关稳压电路

为了使输出电压稳定为8.0V ，由LM2576-adj 输出电压

V out =(1+R 7/R P5) ·V ref ，查阅芯片资料，一般R 7为5k ，V ref =1.23V 为芯片内部基准源，固定不变，所以得R P5=0.91k ，故取R P5为2k 的电位器进行适当的调节。

输出电流最大值为I 0=4.5A ，两个模块电流比例按1∶1得到I 1=I 2=2.25A ，所以扩流管额定电流需大于1.1I 1=2.48A ，又LM2576输出占空比不同的方波频率为50kHz ，再考虑功耗，选择导通电阻约为70m Ω的MOSFET 管IRF540能够满足要求。

流过电感的最大电流为5A ，取电流密度J =4A/mm2，漆包线半径为r ，则由J =I l /(π·r 2) 带入参数得r =0.63mm ，则直径为d =1.26mm ，由于工作频率为40kHz ，需考虑趋肤效应，制作中采样1.5mm 的漆包线多股细线并绕。

电感计算公式L =5(V i －V 0) ·V 0·T /(V ·其中V i 为输入i I 0) ，电压，V 0为输出电压，T 为开关周期，I 0为输出电流，带入数据

图４

软件流程图

表1~表5分别为额定功率输出电压、系统效率、不同负载电流下电流指定比例分配、两支路电流比例可变、系统过电流保护的各个测试结果。

由测试数据可知：调节负载使输出电流I o 分别在1、1.5、4A ，两条支流电路可以自动按1∶1、1∶2、1∶1比例自动调为0.251V 。负载电压仍然在设计要求的范围内，同时均流误

同时测得

??节，而且最大误差只有0.85%，?8的最大值

研究与设计

定状态。在硬件电路方面，我们通过大量的实验有效地提高了

系统的效率和稳定性，使得系统的性能得到很大的改善。另外

增加了显示功能，能够显示各种模式下的相应参数。参考文献：

[1]张天芳. 开关电源的并联运行及其数字均流技术[J].淮海工学院2006，15(1):29-32. 学报，

段敏，元迎川. 多路DC-DC 变换器并联自动均流问题的研究[J].空军雷达学院学报，2002，16(2):45-47.

差最大只有0.85%。

由测试数据可知：调节负载使两个模块输出电流之和在1.0～4.0A 变化时，两个模块电流能够在0.33～2.62A 范围内按指定的比例自动分配，最大误差只有1.8%。

由测试数据可知：继电器的动作电流介于4.40～4.45A ，实际软件设定动作电流为4.41A 。电流超过设定值，继电器断开，保护电路。

[4][2]

[3]韩卫军，张逸成，姚勇涛，等. 直流开关电源的数字均流技术[J].低

压电器，2004(9):46-48.

符赞宣，瞿文龙. DC/DC变换器无均流线均流控制方法[J].电力2003，37(5):41-43. 电子技术，

[5]谢勤岚，陈红. 分布式开关电源及其实现[J].舰船电子工程，2005，

25(3):120-122.

４结论

综合测试证明，本系统能够长时间稳定地正常工作于额

(上接第1537页)

!!!!!!!!!!!!

合肥：合肥工业大学，2006.

[4]纪明伟. 分布式发电中微电网技术控制策略研究[D].合肥：合肥

工业大学，2009.

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