程控開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設計與試驗

摘要：為降低大功率開關電源設計時功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提高所面臨的困難，改善單電源供電的可靠性，設計并制作程控開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)由2個額定輸出功率為16 W的8 V DC／DC模塊構成的程控開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。以STM32F103微控制器為核心芯片，通過程序控制內(nèi)部DAC調(diào)節(jié)PWM主控芯片UC3845的反饋端電壓，使DC／DC模塊輸出電壓產(chǎn)生微小變動，進而可調(diào)整DC／DC模塊的輸出電流并實時分配各DC／DC模塊的輸出電流，軟件采用PI算法。試驗表明，系統(tǒng)滿載效率高于80．23％，電流分配誤差最大為1．54％；電源輸出在1 s內(nèi)快速達到穩(wěn)態(tài)；系統(tǒng)以4．5 A為閾值實現(xiàn)過流保護和自恢復功能。
關鍵詞：程控；開關電源；并聯(lián)供電；DC／DC模塊

隨著設備對電源的要求越來越高，采用單臺電源供電，變換器需要處理巨大的功率，并且電應力大，給功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提高帶來困難。并且一旦單臺電源發(fā)生故障，則導致整個系統(tǒng)崩潰。分布式電源系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的集中式電源系統(tǒng)早已經(jīng)成為電力電子學新的研究熱點，這是因為分布式電源系統(tǒng)利用多個中、小功率的電源模塊并聯(lián)，形成的電源系統(tǒng)可以通過改變并聯(lián)模塊的數(shù)量來滿足不同功率的負載，每個模塊承受較小的電應力，使得電源保持較高的效率和較快的動態(tài)響應。還可以應用冗余技術，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且容量可根據(jù)需求任意擴展。同時可將模塊的開關頻率提高到兆赫級，從而提高模塊的功率密度使電源系統(tǒng)的體積、重量下降。因而，開關電源并聯(lián)供電技術的重要性日益顯現(xiàn)，并聯(lián)供電技術已成為該領域的重點研究方向之一。文中針對開關電源并聯(lián)供電及按照用戶設定比例自動分流方案進行了研究與試驗。

1 系統(tǒng)結(jié)構及硬件電路設計
系統(tǒng)以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括DC／DC同步整流模塊、PWM發(fā)生器UC3845、減法電路、電流檢測、電壓檢測、液晶與鍵盤等電路，系統(tǒng)總體方案如圖1示。

1．1 PWM發(fā)生電路
通過高性能固定頻率電流模式控制器UC3845產(chǎn)生PWM信號，作為開關管的驅(qū)動信號。電路如圖2所示。其中，F(xiàn)B是電壓反饋控制段，EN是芯片使能端。

1．2 DC／DC降壓電路
采用高壓MOS管驅(qū)動芯片IR2110驅(qū)動NMOS管，采用低壓差的肖特基管作為續(xù)流二極管，通過INA169檢測DC／DC的電流，降壓電路如圖3所示。

2 主要軟件設計
系統(tǒng)通過對電流、電壓信號進行采樣，經(jīng)過PI運算后，調(diào)節(jié)微控制器的兩路DAC輸出模擬電壓，分別控制兩個DC／DC模塊的輸出電壓，實現(xiàn)輸出電流的動態(tài)分配。軟件主要包含電壓電流的ADC采樣、DAC輸出、PI算法、液晶顯示等功能。通過STM32F103內(nèi)部高精度12位ADC檢測電壓，INA169檢測電流，再將所檢測的電壓、電流信號反饋至微控制器的輸入端。ADC采樣使用四通道循環(huán)連續(xù)采樣模式，采樣數(shù)據(jù)以DMA方式自動轉(zhuǎn)移到片內(nèi)存儲器中，采樣過程無需CPU干預，ADC采樣速率為1000次／s。過流保護及自動功能的實現(xiàn)是基于STM32F103內(nèi)部的ADC通道自帶模擬看門狗功能，對總電流對應的ADC通道設定模擬看門狗功能，當輸出電流超出設定值4．5 A時，觸發(fā)模擬看門狗中斷，相應I／O口輸出高電平，禁止UC3845的PWM輸出，系統(tǒng)進入保護狀態(tài)，設定每隔3 s重復嘗試啟動，當檢測到系統(tǒng)輸出電流低于4．5 A，相應I／O口輸出低電平過流解除，系統(tǒng)恢復正常，實現(xiàn)過流保護和自恢復功能。系統(tǒng)軟件中，PI算法實現(xiàn)過程如下。

如圖4所示，PI算法主要實現(xiàn)兩個DC／DC模塊輸出電流的控制，系統(tǒng)通過對兩個DC／DC模塊的輸出電流進行采樣，控制兩個DC／DC模塊輸出電流按給定比例輸出。當DC／DC模塊1的電流I1和DC／DC模塊2的電流I2設定比例為I1：I2=k1：k2時，要求I1xk2-I2xk1=0，所以設定PI的目標值為0，系統(tǒng)反系統(tǒng)反饋為I1xk2-I2xk1。PI調(diào)節(jié)器輸出信號控制兩個DC／DC模塊逆向調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對各DC／DC模塊輸出電流的控制。

3 系統(tǒng)測試與測試結(jié)果
系統(tǒng)測試參數(shù)分布示意圖如圖5所示。將24 V直流電壓通過兩個并聯(lián)的DC／DC模塊降壓至8 V，調(diào)整負載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0± 0.4V，使負載電流Io在1．5～3．5 A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可在(0．5～2．0)范圍內(nèi)按指定的比例自動分配，以及使兩個模塊輸出電流之和Io=4．0 A且按I1：I2=1：1模式自動分配電流。

3．1 滿載輸出電壓和效率
測量方法：在U0=8±0．4 V滿載情況下，用3位半精度的萬用表測量電壓，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

試驗結(jié)果表明，調(diào)整負載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，當輸出功率為31．56～33．11 W，系統(tǒng)直流輸出電壓范圍為7．89～7．99 V，最低效率為80．23％。
3．2 電流定比例輸出相對誤差測試
保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，任意設定系統(tǒng)輸出電流I0分別接近1．00 A和4．00 A，I1：I2按1：1分配、設定總電流I0為1．50 A、1．61 A且I1：I2=1：2模式電流分配，通過2個3位半萬用表測2個DC／DC輸出電流，試驗數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

試驗結(jié)果表明，使兩個模塊輸出電流T1：I2按1：1模式自動分配電流，相對誤差最大為0．49％，當總電流I0為1．06 A和9．60 A時，可能由于萬用表精度偏低，相對誤差計算為0．00％，但可以確定相對誤差一定小于0．01％。當總電流為1．61 A和1．50 A，I1：I2按1：2分配時，相對誤差最大為1．24％。
3．3 電流不定比例輸出相對誤差測試
保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，任意設定總電流I0分別為1．5 A、2 A、2．5 A、3 A、3．5 A，各按照I1：I2為1：1、1：2、2：1的3種比例輸出，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4可知，使負載電流I0在1．5～3．5 A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可按指定的比例自動分配，各按照1：1、1：2、2：1的3種比例測試，相對誤差最大為1．54％。
3．4 過流保護功能測試
系統(tǒng)設定保護電流閾值為4．5 A(調(diào)試時允許有±0．2 A的偏差)。調(diào)節(jié)負載電阻，記錄系統(tǒng)進入保護狀態(tài)時以及從保護狀態(tài)恢復時的輸出電流。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

試驗結(jié)果表明，輸出電流大于4．5 A時，系統(tǒng)進入過流保護狀態(tài)，當電流降到4．5 A以下時，系統(tǒng)恢復。偏差在0．02 A范圍內(nèi)。

4 結(jié)論
程控開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括DC／DC同步整流模塊、PWM發(fā)生器UC3845、降壓電路、電流電壓檢測、液晶與鍵盤等電路，軟件采用PI算法。試驗表明，保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，系統(tǒng)輸出總電流在1～4 A范圍內(nèi)變化時，任意設定兩個DC／DC模塊輸出電流I1與I2的比值，電流分配誤差最大為1．54％；在滿載輸出時，系統(tǒng)效率高于80．23％；設定系統(tǒng)過流保護閾值為4．5 A，具有過流保護與自恢復功能。