基于開關(guān)電源的并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章采用單片機(jī)SPCE061A為主控芯片，以開關(guān)電源芯片TD1507為核心，利用主從均流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路穩(wěn)壓電源構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過高精度運(yùn)放OP07的動態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動均流。此外，系統(tǒng)具有負(fù)載短路保護(hù)及自動恢復(fù)功能、負(fù)載溫度檢測與散熱功能和液晶實(shí)時顯示功能。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;主從控制;并聯(lián)供電;大功率電源;DC/DC

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。在大功率開關(guān)電源中，通常采用多個單元并聯(lián)獲取大電流的方法獲取大功率。

1 系統(tǒng)方案論證

系統(tǒng)采用兩個開關(guān)電源單元并聯(lián)的方案實(shí)現(xiàn)兩路并聯(lián)供電系統(tǒng)，兩路模塊的額定功率均為16W，輸出電壓為8V。其框圖如圖1所示。

1.1 DC/DC變換電路方案

方案一：LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器

LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用較小規(guī)格的濾波元件。

方案二：TD1507降壓轉(zhuǎn)換器

該器件是一個易于使用的可調(diào)降壓開關(guān)模式穩(wěn)壓器。它提供了一個可調(diào)輸出版本，是驅(qū)動負(fù)載能力為2.5A輸出電壓在1.23V到34V之間可調(diào)的出色線路負(fù)載調(diào)節(jié)器。降壓電路對外部組件數(shù)量要求低，穩(wěn)壓器使用簡單，包括內(nèi)部頻率補(bǔ)償功能，和固定頻率振蕩器。

方案二外圍電路少，易于控制和實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)壓效果好，所以采用該方案。

1.2 電流電壓檢測與過流保護(hù)方案

本系統(tǒng)采用直測式霍爾電流傳感器，檢測通過負(fù)載的電流，并通過電壓變換電路反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換判斷電流范圍，從而確定并聯(lián)DC/DC模塊的輸出電流比。當(dāng)檢測到電流信號超過設(shè)定安全值時，整個系統(tǒng)被切斷，以達(dá)到保證系統(tǒng)安全作用。

霍爾電流傳感器工作原理如圖2所示，原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量聚集在磁路中，并由霍爾器件檢測出霍爾電壓信號，經(jīng)過放大器放大，該電壓信號可精確地反映原邊電流。通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，與設(shè)定值比較后可判斷系統(tǒng)工作模式，并判斷是否過流。

1. 3 均流方案

方案一：斜率法

斜率法是最簡單的一種均流方法，其原理是利用電流反饋信號或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，從而達(dá)到均流。斜率法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。但此方案在小電流時效果較差，隨著負(fù)載的增加均流效果會有所改善。該法只適合應(yīng)用于均流精度大于或等于10%的場合，很難達(dá)到5%的均流效果。

方案二：主從均流法

主從法的均流思想是在并聯(lián)系統(tǒng)中人為指定一個模塊為主模塊，直接接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因?yàn)橄到y(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負(fù)載電流如何變化，各模塊的電流總是相等的。采用這種方法，精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡單，模塊問邊線較少，易于擴(kuò)展為多路。

對于本系統(tǒng)中的兩個電源都采用DC/DC芯片設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的不確定因素少，可靠性高;又主從均流法精確度很高，設(shè)計(jì)簡單，成本低，所以采用方案二。

如圖3所示，當(dāng)兩路并聯(lián)使用時，電路分為主從兩路，通過電流反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動均流。使用精密采樣電阻采樣各路電流，再用高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路OP07進(jìn)行放大。將主路儀放輸出端送到運(yùn)放的同向端，從路儀放輸出端送到運(yùn)放的反向端，運(yùn)放的輸出端反饋從路反饋腳通過儀放放大，運(yùn)放比較、反饋實(shí)現(xiàn)自動均流。本電路是對各電流進(jìn)行比較，所以即使負(fù)載變化也能實(shí)現(xiàn)均流。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路

系統(tǒng)主控模塊選用凌陽的SPCE061A單片機(jī)。它功耗低，超小型，成本低，功能完整，非常適用于便攜式儀表和就地式顯示控制儀表，在國內(nèi)越來越受到用戶的重視和廣泛應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，充分利用了該單片機(jī)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能、配套液晶模組并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，系統(tǒng)主電路如圖4所示。

2.2 DC/DC轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)中使用了TD系列開關(guān)電源芯片TD1507，電路如圖5所示。TD1507可將輸出電壓穩(wěn)定在1.23V到43V連續(xù)可調(diào)。本系統(tǒng)中用此模塊將前端電壓轉(zhuǎn)換為8V穩(wěn)定電源。兩路中元件應(yīng)盡量一樣，續(xù)流二極管選用低壓降肖特基二極管。

圖中電感計(jì)算公式為：

公式中Kind=0.2，F(xiàn)sw=500KHZ是開關(guān)電源的工作頻率。這里電感起儲能作用，電感量不能太小，太小會引起電感的磁飽合;電感量太大時電感上會有很大的銅損和鐵損，波紋峰-峰值計(jì)算公式為：

2.3 測控電路

2.3.1 電流電壓檢測及過流保護(hù)電路

本系統(tǒng)采用直測式霍爾電流傳感器ACS712檢測通過負(fù)載的總電流，并通過電壓變換電路反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換判斷電流范圍，從而確定并聯(lián) DC/DC模塊的輸出電流比例。當(dāng)檢測到電流信號超過設(shè)定安全閥值時，整個系統(tǒng)將被切斷，以達(dá)到保證整個系統(tǒng)安全工作。霍爾元件工作原理圖如圖6所示。

2.3.2 溫度檢測控制電路

充分考慮到大功率負(fù)載在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，如不及時散熱，可能影響系統(tǒng)性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。我們設(shè)計(jì)了溫度檢測與控制電路。及時檢測負(fù)載周圍空氣溫度，將溫度信息反饋給單片機(jī)處理。當(dāng)系統(tǒng)過熱時及時散熱保障系統(tǒng)性能。

溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器DS18B20、繼電器和直流風(fēng)扇組成，如圖7所示。DS18B20接到單片機(jī)的一個I/O口上，由于單總線為開漏，所以需外接 10K的上拉電阻。DS18B20收到單片機(jī)發(fā)送的時序命令就將采樣到的溫度信號發(fā)送給單片機(jī)處理。當(dāng)單片機(jī)檢測到溫度超過安全值時，與繼電器相連的引腳輸出高電平驅(qū)動電磁繼電器使直流風(fēng)扇通電，開始散熱。

3 軟件流程圖

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要有三個模塊：操作模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊。主流程圖如圖8所示。

4 總結(jié)

在額定輸出功率狀態(tài)下，系統(tǒng)輸出直流電壓穩(wěn)定在8V±0.4V;兩路電源并聯(lián)供電，在各電流比例工作狀態(tài)下，每個模塊的輸出電流的相對誤差絕對值小于 5%。在額定輸出功率狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率大于60%。具有負(fù)載短路保護(hù)及自動恢復(fù)功能，保護(hù)閥值電流為4.5A。系統(tǒng)具有負(fù)載溫度檢測與散熱系統(tǒng)和液晶實(shí)時顯示電流、負(fù)載溫度、和電流分配模式等功能。