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1、开关电源模块并联供电系统设计摘要：本系统以C8051F340单片机为控制核心，通过对输出电压和电流采样计算，改变单片 机PWM占空比输出，控制MOS管的通断，实现了两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块 并联供电。经测试，该供电系统供电效率为70.57%;调整负载电阻，两个模块的输出电流II、 12之和为4 A范围内实现II、I2按1:1和1:2模式自动分配电流，其相对误差绝对值不大于2%; 具有负载短路保护功能，保护阈值电流为4.5A.近一些年来，随着微电子技术和工艺、磁性材料科学以及烧结加工工艺与其它边沿技术 科学的不断改进和快速发展，开关稳压技术也得到了突破性进展。目前，多模块并
2、联供电电 源代替单一集中式电源供电已经成为电源系统发展的一个重要方向。并联分布式电源具有可 并联式扩展、电源模块的功率密度高，体积、重量小等优点，但同时也存在着由于电源模块 直接并联而引起一台或多台模块运行在电流极限值状态的问题。目前，均流控制是实现大功 率电源和冗余电源的关键技术。文中设计并制作了一个光伏并网发电模拟装置，实现了双开 关电源模块并联供电，提高了系统供电效率，且实现了电流自动分配。1设计任务设计并制作一个由两个额定输出功率均为16 W的8 VDC/DC模块构成的并联供电系统， 其结构框图如图1所示。要求调整负载电阻，保持输出电压U0=8.0+0.4V,使两个模块输出 电流之和I
3、0=1.0A且按I1:I2=1:1和I1:I2=1:2两种模式自动分配电流，每个模块的输出电 流的相对误差绝对值不大于5%;使两个模块输出电流之和IO=4.0A且按I1:I2=1:1模式自动 分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于2%;额定输出功率工作状态下， 供电系统的效率不低于60%;要求系统具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为 4.5A。-ODC/DC -模块1 neleefans-com图1关联供电系统框图2系统总体方案设计并联供电系统主要由控制器模块、DC/DC变换稳压模块、电流检测模块以及输出电压采 样模块等组成，系统总体硬件框图如图2所示。在系统中，DC/
4、DC变换稳压模块采用选择非 隔离方式的降压斩波电路；电流检测模块通过采样康铜丝上的电压推算出电流值；8051F340 单片机输出PWM波调整DC/DC模块的输出，控制输出电流。24VDC/块 1 -电流采扌羊模块负载控制器模块1飞T DC/DC模块2电流采样模附r电压釆样樸块控制器模轴口 n 5o m图2系统硬件框图3 DC/DC变换稳压电路设计DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器 的漏磁和损耗等会造成效率的降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式。 本系统采用降压斩波电路(Buck Chopper)。降压斩波电路的原理图如图3所示。采用
5、单片机 根据采样到的反馈电压程控改变其产生的PWM波占空比，通过三极管组成的推挽电路驱动， 控制P沟道IRF4905开关的导通与截止，使输出电压或电流稳定在设定值。图3 DC-DC变换稳压电路图4电压电流采样电路系统采用芯片INA169对康铜丝上的电压进行采样并间接推算出电流值。选择标称值为 50 mQ的康铜丝作为采样对象，经检测，其实际电阻值为47 mQ，并以此在采集输出电流 时进行软件修正。INA169的输出脚OUT直接接入单片机内置A/D转换输入端，其输出电压 VOUT=ItxR10xRs3/lK (1)当 R10=50 mQ，It=0.5 A，Rs3=20 kQ 时，可算出 VOUT=
6、O.5 V,以此类推，当 1=1 A,VOUT=1 V，It=2 A时，VOUT=2 V,此比例关系可以方便单片机采样电压。系统对输出电压采样时，在负载两端并联1kQ电阻以及10 kQ可调电阻，单片机采集 输出电压在R11两端的电压，调节RS2，使单片机内置A/D输入端采集到的电压与输出电压 成比例1:8的关系。输出电压、电流采样电路如图4所示。INA169SVP01BOUTGND o|VIN+ VIN-V+10k2GND康铜丝II t50mQ图4输出电压、电流米样电路5系统电压电流测控原理本系统测控电路原理图如图6所示，控制器模块1 (MCU1)采集DC/DC模块1产生的电流 和负载上的电压
7、，根据控制策略调节PWM信号，调整DC/DC模块1的输出；控制器模块2(MCU2) 采集DC/DC模块2产生的电流和负载上的电压。根据控制策略调节PWM信号，用以调整DC/DC 模块1和DC/DC模块2的输出，使得系统达到控制策略所设定的电流I1、电流I2以及负载电 压UO.5.1 MCU1的电流控制策略MCU1通过采样电流的反馈，将I1的电流控制在0.5A5%上。当接收到MCU2的控制信号 时MCU1改为进行电压采样，控制PWM信号将输出电压UO稳定在8+0.4 V上，实现负载电压 的控制。如果采样到II小于0.4 A，则返回原始的控制，将II稳定在0.5 A上，并且向MCU2发送 控制信号
8、。如果采样到的II大于2.6 A,则通知MCU2关闭PWM信号，进行过流保护。MCU1 的电流控制策略流程图如图5所示。初始化输出初始PWMT调整p聊输出卜*电压釆样电流采样发送MOJ1过流信号关闭PMff输出d.edancomQ诰劉建艷图5 MCU1的电流控制策略流程图5.2 MCU2的电流控制策略MCU2通过采样电压的反馈将负载电压控制在U0=80.4V上。当I2大于2.2 A时，发送 控制信号给MCU1,同时采样电流，将I2稳定在2A2%.如果收到MCU1的控制信号就返回控 制电压的循环。若收到过流信号则关闭PWM输出。MCU2的电流控制策略流程图如图6所示。初始化输出初始円涮调整円曲输
9、出V电压采样电流来样关闭PMW输出图6 MCU2的电流控制策略流程图6系统指标测试与结果系统测试主要是对系统效率、电流分配性能以及负载过流保护可靠性等指标进行测试, 测试电路图如图1所示。1)效率测试调整负载电阻RL,当负载功率为额定功率PO (UOXIO) =32 W时，测量供电系统输入电 流IIN、输入电压UIN、输出电流10和输出电压U0,重量测试3次，测量数据见表1根据式2计算供电系统的效率n:次数保护电流阈侑厶/丸是否具右过流保护14.61是24.63是34.62是斗4.58是54.70e(ecfansom Qr i 疣蟹：*h 申 UnH表1供电系统效率测试次数/1N /A阳 W
10、RJH/（）/AW)/V Po/ W71.8623,843.554 2.654.027.8331.47 71.1%1.8723.844.5062.64.037.8() 31.434 70.6%31.8823.844.7442.54.02ileWan stbm迢衆盒麽豐 *.2） 10=1.0 A时，电流1:1分配性能测试调整负载电阻RL保持输出电压U0=8.0+0.4 V且使输出电流10=1.0 A,测量2个电源的 输出电流11和12，按式3计算每个模块输出电流的相对误差（其中的11、12理论值均为0.5 A），重复测量3次，测量及计算数据见表2。2(3)ei.ecfancom 电& 反烧血9
11、I表2电流1:1分配性能测试次数A)/A/h/A4/V.)8.120.480.494%2%2.()8.12().490.492%31.0&60.490.49DC/DC模块输出电流的相对误差为6 :式（3）中，lit为测量值，Ii为理论值。3）10=1.5 A时，电流1:2分配性能测试调整负载电阻R1,保持输出电压U0=8.0+0.4 V且使输出电流10=1.5 A,测量2个电源 的输出电流11和12,按式（3）计算每个模块输出电流的相对误差（其中11的理论值为0.5 A、12的理论值为1.0 A），重复测量3次，测量及计算数据见表3。表3电流1:2分配性能测试4）输出电流4.0 A时，电流1:
12、1分配性能测试测试电路示意图如图1所示，调整负载电阻RL,保持输出电压U0=8.00.4 V且使输出 电流I0=4.0 A，测量2个电源的输出电流11和12,按式3计算每个模块输出电流的相对误差 （其中的11、12理论值均为2.0 A）,重复测量3次，测量及计算数据见表4。表4电流1:1分配性能测试次数4/A4/V/ h :厶3J4.07.852.022.001.01:11%0%24.07.832.021.991.0I5J1%34.07.832.032.0095）负栽短路保护可靠性测试调整负载电RL,使输出电流I0逐渐变大，当输出电流增大到4.50.2A范围时，观察 是否启动自动保护，并记录此时的输出电流值。重复测量5次，测量数据见表5。表5负载过流保护可靠性测试次数保护电流阈值A/A是否具杠过流保护4.61是24.63是34.62是斗4.58是54.70B弓Hit7结论通过以上测试数据，调整负载电阻，两个模块的输出电流之和为4A范围内实现按 11:12=1:1和11:12=1:2模式自动分配电流，其相对误差绝对值不大于2%.系统供电效率 n三70%，实现负载短路保护功能，达到设计要求。随着电源系统的数字化及专用微处理器 的发展，可以在本系统的基础上结合CAN总线技术，实现更多模块并联交流冗余，更好的采 用复杂控制策略，如滑模控制技术，提高鲁棒性，进一步提高系统动态性能。
