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1、2011年全国大学生电子设计竞赛开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】2011年9月6日II摘 要 本设计以DC/DC并联变换电路为核心，设计的电路主要是DC/DC并联变换电路，它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件和控制模块，同时设计具有输出限流保护和输入欠压保护功能。在实际的使用过程并不是简单的把各个电源并联使用就可以让电源平均承担功率。这是由于电源各自参数的分散性，使得每个电源的开路电压和内阻均会存在差异，通常开关电源的内阻都非常小，因此开路电压很小的差异就会导致各电源的输出电流有较大的差异，这种状态会导致各个电源的寿命衰减不一致，达不到
2、电源的可靠性和稳定性的要求。 关键字：PWM调制 DC/DC变换器 buck降压 SG2524 Abstract : This design to DC/DC parallel transform circuit as the core, the design of main circuit is DC/DC parallel transform circuit, it contains the switch power supply switch device, energy storage device of pulse transformer, filter, output power
3、components and advantages on all the control module, and designed with output limit current protection and input voltage protection function. In actual use process and not simple to use all the power parallel can make power average bear power. This is because the power of each parameter dispersion,
4、make each of the power supply voltage and are open internal differences, usually of switc power resistance are very small, so the difference of small open voltage will lead to the power output current with a bigger difference, the state will lead to the life of each power does not agree, can not rea
5、ch the attenuation of the power supply reliability and stability of the requirements 目 录1系统方案11.1 DC/DC并联模块的论证与选择11.2 控制系统的论证与选择12系统理论分析与计算22.1 DC/DC并联模块的分析22.1.1 BUCK并联电路的分析22.1.2 SG2524的分析22.2 DC/DC并联模块的计算32.2.1 buck并联电路的计算32.2.2储能电感的选择32.2.3输出二极管D和输出电容器C的选择33电路设计43.1电路的设计43.1.1系统总体框图43.1.2DC/DC子系
6、统框图与电路原理图53.1.3电源54测试方案与测试结果64.1测试方案64.2 测试条件与仪器64.3 测试结果及分析74.3.1测试结果(数据)74.3.2测试分析与结论7附录1：电路原理图8开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】1系统方案本系统主要由DC/DC并联模块、采样和保护模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 DC/DC并联模块的论证与选择方案一：采用 PWM 控制芯片 采用 TI 公司的脉宽调制控制器 LM331 作为 BUCK 型拓扑扩流的 PWM 控制芯片。LM331的最高工作频率 300KHz，内有两个误差信号比较器，能同时实现电压模式和电流模式控制，方便做过
7、流保护；但由于 BUCK 型拓扑的 MOS 管驱动需外加上管驱动芯片LM324，而LM324会有 0.2W 左右的功耗，对于仅 5W 输出的电源来说，会消耗掉 4 个百分点的效率。方案二：UC3843 采用单片开关电源专用控制芯片UC3843、大功率开关管MOSFET。它的应用电路图如1.1 图1.1使用单开关管，能降低开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁，但在功率较高的情况下，电感设计要求较高，经验成分多，设计不好会造成过大的冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。优点是转换效率高，电压在一定范围内可调，缺点是电路较复杂，电流小步幅精确调整范围困难。 方案三：采用SG2524 SG3524内部
8、包含基准电压源UREF、振荡器OSC、比较器C、误差放大器E/A、触发器FF、限流保护比较器CL、输出关断电路和两只输出晶体管Ql、Q2等。这种控制器除能应用于单端调宽型开关电源中作为控制器外，还能作为推挽、半桥、全桥开关电源的控制器。该控制器的引脚10关断端与外电路适当连接后可具有限流保护功能。控制器的误差比较器输出端除了与内部比较器的反相端相连外，还与引脚9相接。引脚9为补偿端，。在补偿端引脚9还可以加入程控制信号，对开关电源实现程序控制。外接的其他电路，只要能从引脚9拉出200A电流，就能关断控制器的输出。控制器的最高工作频率为350kHz，一般均工作在100kHz以下。应用电路如图1.
9、2.图1.2综合以上三种方案，为了使系统有较高的效率和可靠性，本设计选择方案三。2系统理论分析与计算2.1 DC/DC并联模块的分析2.1.1BUCK并联电路的分析 Buck电路中的电感L和电容C组成低通滤波器，使输出分量的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过，一个周期T内，开关器件接通时间t所占整个周期T的比例为占空比D;Fs=1/Ts=switching frequencyBuck电路中，占空比越大，负载上得到的电压也越高。正常工作模式中，输出电压Vout与Vin的关系是：Vout=（1-D）/Vin 在并联多相DC/DC变换器中，各模块承受的电流应自动平衡。DC/DC
10、变换器的并联均流是要解决的关键问题，若不均流则会造成各模块的功率不均衡，从而降低整个系统的稳定性。数字控制技术易于改变均流控制方案，便于实现电源的控制。本方案使用精确的PWM波实现均流，不采用电流传感器的方法，通过对占空比的补偿来控制电流。两相并联buck变换器，使用同步整流取代续流二极管，从而实现低压大电流输出。2.1.2 SG2524的分析SG2524是一个固定频率脉冲宽度调制（PWM）电压调节器控制电路。该稳压器工作在固定频率是由一个定时电阻RT和一个定时电容，CT编程。RT建立了CT恒定充电电流。在一个CT线性斜坡电压，这是美联储对这样的结果比较器，提供了错误放大器输出脉冲持续时间的线
11、性控制（宽)。包含的SG2524板载5V稳压器，作为参考服务，以及提供的SG2524内部稳压器控制电路。内部参考电压分为外部由一个电阻梯形网络提供了参考范围内错误放大器的共模范围，或外部参照可以使用。检测由电阻分压器网络和误差信号放大。该电压然后比在CT线性电压斜坡。由此产生的调制脉冲的高增益比较出来，然后是带领到适当的输出晶体管（Q1或Q2）由脉冲转向触发器，它是同步的切换振荡器的输出。振荡器的输出脉冲也可确保两个输出都从来没有在一个消隐脉冲同时在过渡时期。该消隐脉冲持续时间控制的CT值。该输出可以应用在推拉式配置，其中的频率是一半基振荡器，或并联单端应用中，频率等于振荡器。该错误输出放大器
12、共享一个共同的输入到比较器的电流限制和关断电路，可从这些输入信号或覆盖。这一点是共同的外部引出通过COMP引脚，可以用来要么控制误差放大器的增益或补偿它。此外，COMP引脚可以可用来提供额外的控制调节。2.2 DC/DC并联模块的计算 2.2.1 buck并联电路的计算Buck电路中的电感L和电容C组成低通滤波器，使输出分量的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过，一个周期T内，开关器件接通时间t所占整个周期T的比例为占空比D; 输入电容器的设计：2.2.2储能电感的选择因为开关频率f对DCDC电路变化的效率影响特别大，如果f太高，可以使充电电感和滤波电容得体积减小，但充电电
13、感的涡流损耗、磁滞损耗及其他元件的分别参数的影响造成其他元件的损耗加大。如果f太低，充电电感和滤波电容的体积就会越大，在保证充电电感的前提下，线圈匝数增多，铜丝损耗加大2.2.3输出二极管D和输出电容器C的选择升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本 电路可选用6A50V以上的快恢复二极管，若采用正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。3电路设计3.1系统总
14、体框图系统总体框图如图3.1所示，主要由DC/DC并联模块和采样保护电路组成。DC/DC并联模块DC/DC并联模块方向保护 二极管方向保护 二极管电流取样电流取样负载图3.1 系统总体框图3.2单片DC/DC模块框图与电路原理图单片DC/DC模块框图如图3.2所示，电路图如3.3所示。 24V直流 输入Buck电路二极管 保护电流取样8V输出图3.2 单片DC/DC系统框图图3.3 DC/DC并联推挽输出原理图3.3电源稳压电源，为整个系统提供24v电压，确保电路的正常稳定工作。4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试对进行DC/DC并联电路模块的测试，输入24V直流电压可输出8V/2A
15、的稳定直流，在进行整机系统的测试。分别各模块的指标、负载调整率、整机效率如测试结果所示。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：双路可跟踪直流稳压电路，数字万用表。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)整机效率：输入电压输入电流输出电压输出电流整机效率24V0.9A8V2.0A74%负载调整率 在规定的范围内改变负载值，测量输出端的电压与电流值负载46810输出电压7.72V7.68V8.01V8.09V输出总电流I02.17A1.37A1.02A0.82A输出支路电流I11.17A0.78A0.59A0.41A输出支路电流I21.00A0.59A
