基于單片機的電流比任意可調并聯電源設計與實現

盧付偉 ，張安堂，朱永水，閆 明

(1.空軍工程大學 導彈學院，陜西 三原 713800；2.中國建筑西北設計研究院有限公司 電氣所，陜西 西安 710018)

為了滿足大負載功率的要求，電源系統往往需要用若干臺開關電源并聯[1]供電。而且在實際應用中，常常存在兩個并聯電源功率不同、不能平均分攤電流的情況，這就要求功率高的電源模塊分擔更大的電流的情況。因此有必要采取一種有效的分流控制方案，以保證整個電源系統的輸出電流按各個單元模塊的輸出能力分擔，這樣既能充分發揮單元電源模塊的輸出能力，又能保證每個單元電源的工作可靠性[2]。基于靈活性需求，將單片機運用于開關電源并聯分流控制就顯得十分必要。本文在并聯電源系統主從設置法均流技術[3-6]的基礎上，設計了一種基于單片機的半智能型并聯電源系統，其中的單片機模塊可以實時監控各模塊的分流情況，并通過人機對話端口實現對并聯電源系統分流比的任意可調，極大地拓寬了并聯分流開關電源系統的應用場合。

1 系統設計

系統總體設計方案如圖1所示。本設計采用主、從工作方式，分別對電壓大小和電流比例進行控制，并進行精確跟蹤。其中，主通道對電源輸出電壓進行穩壓控制；從通道保證電流輸出比例與系統設定值一致；單片機模塊與顯示及輸入控制端口則實現了系統的半智能化，即分流比可調、各模塊電流可實時監控。通過顯示及輸入控制端口輸入比例數據，由單片機產生電流比例調整信號控制從通道電流反饋控制電路，從而調整兩路PWM信號使兩個DC/DC模塊輸出相應的電流值。主通道電壓反饋控制電路通過對輸出電壓采樣實現整個系統的穩壓，單片機模塊通過對系統總電流取樣實現對系統總電流的監控，在總電流超出設定范圍時及時啟動過流保護電路。

1.1 主通道模塊設計

主通道模塊設計如圖2所示。主要由電壓取樣、比較放大、PWM調制、驅動及輸出電路、低通濾波等環節組成。主通道通過電阻分壓取樣，將負載樣品電壓與控制系統產生的基準電壓UR進行比較，得到PWM調制誤差信號，該信號與標準三角波信號進行比較，形成具有一定占空比的PWM調制信號,該信號經180°裂相后，構成一對PWM信號送入驅動電路來驅動半橋輸出級電路。然后通過低通濾波后，輸出電壓幅度穩定的直流電壓。

1.2 從通道模塊設計

從通道模塊設計如圖3所示。為了控制主從通道的電流輸出比例，通過霍爾電流傳感器對主、從通道輸出電流進行采樣，并轉換成相應的電流樣本電壓UI1、UI2。UI2與從單片機系統送來的主/從通道電流比例調整電壓Uk相乘，對從通道電流進行比例控制，并與主通道電流樣品電壓UI1進行比較放大后，送PWM控制系統。

主、從通道的驅動及功率輸出部分電路結構完全相同，主通道用來穩定負載電壓，而主/從通道電流輸出比例由從通道控制，從而簡化了反饋環路結構，使系統環路控制穩定，電壓和電流都具有很高的調整率，控制精度均很高。

1.3 單片機系統設計

單片機系統主要用于顯示系統工作狀態及重點參數信息，響應用戶操控指令。其流程圖如圖4所示。

首先，單片機系統對系統的總電流進行取樣分析，判斷是否滿足“主從電流之和低于 4.5 A”，若不滿足,則再判斷其是否滿足“主從電流之和是否小于6 A”，滿足則將強行按照1:1的分流比輸出，避免單路輸出功率過大而損壞電源，否則過流保護，自動關斷驅動電路。若滿足“主從電流之和低于4.5 A”，則讀取人機交換平臺輸入的輸出電流比，系統對該電流比進行分析，判斷其是否滿足“主從電流均在0.4 A～3 A之間”，若滿足，則系統將按照指定分流比輸出；不滿足，系統將強行按照1:1的分流比輸出。其次，基于單片機的這種分流比控制不但可以實時監控保護電源系統，而且，其“4.5 A”和“0.4 A～3 A”的條件也可以根據實際情況具體設定，具有很大的靈活性，這是傳統的并聯均流開關電源系統所不具備的。

1.4 過流保護電路設計

過流保護電路是由單片機進行檢測控制。當兩路電流之和大于設定的限流值（默認值6 A，可獨立設置）時，控制程序自動關斷驅動電路，經一定的時間延遲后，自動恢復電流檢測控制。另外，根據本設計性能指標，用戶可任意設定主從電流比例，但當比例設定不合適或負載發生變化時，存在單路電流超限現象（上限默認值3 A、下限默認值0.4 A，可獨立設置）。為保證超限的電流模塊正常工作，同時又保證并聯供電系統總功率輸出不變,單片機在系統總電流輸出門限(默認值4.5A～6A,可獨立設置)范圍內，將采用強制1:1輸出模式，主從電流比例重新滿足要求后，自動恢復。

圖4 單片機系統框圖

2 實驗測試

2.1 分流比設定及分流誤差測試

設定分流比分別為1.5:2.5和2.5:1.5，調節負載電阻，讀取各電流值，計算分流相對誤差，分流電流相對誤差為：δi=(Ii實測－Ii理論)/Ii理論。結果如表 1 所示。

調節負載電阻，使I0穩定在 4.008 A，調節分流比，讀取各分流值，計算分流相對誤差。結果如表2所示。

2.2 測試結果分析

測試結果表明,在總電流 I0＞4.5 A且分流輸出I1、I2在0.4 A～3 A之間時，其分流比可以任意設定，分流誤差參在5 mA內，分流相對誤差小于0.5%，具有較高的精度； 當總電流 4.5 A＜I0＜6 A或分流輸出I1、I2超出0.4 A～3 A的設定范圍時，分流輸出將按照1:1的分流比執行；當總電流 I0＞6 A的上限電流時，系統將關斷驅動，經一定的時間延遲后再行檢測系統電流值，防止因電流過大而損壞電源，從而達到了系統的保護功能。

表1 分流比一定、總電流變化時測試結果

表2 總電流一定、分流比變化時測試結果

本文在并聯電源系統主從設置法均流技術的基上設計了一種基于單片機的半智能型并聯電源系統,中的單片機模塊可以實時監控各模塊的分流情況，并過人機對話端口實現對并聯電源系統分流比任意可，極大地拓寬了并聯分流開關電源系統的應用場合，有很強的實用性。

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