淺談開關電源模塊并聯供電系統的設計

河海大學文天學院電氣信息工程系 吳祥飛 楊 軍

1.引言

近一些年來，隨著微電子技術和工藝、磁性材料科學以及燒結加工工藝與其它邊沿技術科學的不斷改進和快速發展，開關穩壓技術，有了突破性進展，并且由此也產生了許多能提高人們生活水平和改善人們工作和學習條件的新工藝產品，如電動自行車，逆變焊機等設備。開關穩壓電源以其獨有的體積小、效率高、重量輕、輸出形式多樣化、功率因數大，穩壓范圍寬等優點已經涉及到了與電有關的所有領域。在這個領域之中，開關穩壓電源已取代前級線性穩壓電源和前級相控開關電源，此外，開關穩壓電源技術和實用技術產品出現后，使得許多電子產品所采用的電池供電成為可能，是許多電子產品微型化和小型化后變為便攜式產品成為可能。所以開關穩壓電源成為各種電子設備和系統高效率、安全可靠運行、低功耗的關鍵，同時開關穩壓電源技術已成為電子技術中備受人們關注的科技領域。

2.方案設計與比較

2.1 方案論證

方案一：題目要求設計并制作一個由兩個額定輸出功率均為16W的8VDC/DC模塊構成的并聯供電系統。由題目已知，采用TI公司的脈寬調制控制器UC3843作為BUCK型拓撲的PWM控制芯片。UC3843集成電路的一般特性及由它組成小功率開關電源的方法。它是通過高性能固定頻率電流模式的控制器專為離線和直流變換器應用所設計的，只需要最少外部元件就能獲得成本效益高的方案。電流工作頻率能到500KHZ，能進行溫度補償的參考電流取樣比較器，精確的占空比控制和大電流圖騰柱式輸出是驅動MOSET管得理想元器件，并且UC3843具有自動鎖存脈寬調制的功能有利于電流比的設定。

圖1 系統框圖

圖2 方案一軟件流程圖

圖3 系統組成框圖

圖4 單端反激DC/DC變換器電路拓撲

圖5 窄帶的電流放大器

圖6 無功耗限流電路

圖7 測試連接圖

優點：以MSP430單片機為主控制器和PWM信號發生器，能根據反饋信號對PWM信號做出調整，從而實現穩壓輸出。系統輸出電壓8.0+0.4V可調，可以通過鍵盤設定和步進調整，電壓調整率和負載調整率低，DC/DC變換器能達到較高的效率。

方案二：利用單片機MSP430，以電壓型PWM控制器TL494為核心，設計一種穩壓輸出開關電源，其回路控制器方框圖如圖1，2，這種方案雖然實現起來較為靈活，可以通過調試針對本身系統做出配套的優化，但是系統調試比較復雜。鑒于此，我們選擇方案一。

2.2 控制方法及實現方案

方案一：利用PWM專用芯片產生PWM控制信號。此法較易實現，工作較穩定，但不易實現輸出電壓的鍵盤設定和步進調整。

方案二：利用單片機產生PWM控制信號。讓單片機根據反饋信號對PWM信號做出相應調整以實現穩壓輸出。這種方案控制系統軟件編程工作量較小，難度不是很大，用脈寬調制型的控制器實現PWM控制，并且完全由硬件產生高頻脈沖，實時性比較好，單片機控制的任務較輕，對單片機硬件資源要求不高，實現起來較為靈活，可以通過調試針對本身系統做出配套的優化。但是此方案硬件電器設計難度較大，電路板布線工作量較大，系統調試比較復雜。

根據要求選擇方案二。單片機和脈寬調制型控制器共同實現整個系統的控制。系統組成框圖如圖3所示，脈寬調制器產生高頻脈沖直接DC/DC變換模塊，單片機實現液晶顯示、AD/DA轉換、、處理電壓反饋信號、過流保護、對脈寬調制器進行控制、顯示等功能；過流保護電路負載電流不超過2.5A；負載電壓負反饋電路進一步對負載電壓進行精確控制。

3.理論分析與計算

DC/DC變換器穩壓方法：

單端反激DC/DC變換器電路拓撲電路的原理：變壓器T1所引起的隔離和傳遞存儲能量的作用，即使在開關管VT開通的時候，Np會存儲能量，當開關管VT關斷時，NP會向NS釋放出能量。當在輸出端加電感器L0和電容C0構成低通濾波器時，變壓器的初級會有由Cr、Rr和VDr構成的RCD漏感尖峰吸收電路，輸出回路有一個整流的二極管VD1。若變壓器使用有氣隙的磁心，則其銅損耗會較大，變壓器溫升會相對較高，并且輸出的紋波電壓比較大；但是電路結構簡單，適用于200W以下電源，并且多路輸出交調特性相對比較好。

電流電壓檢測：（1)電壓檢測是采用電阻分壓的方法取得的，通過兩只大交流電路進行分壓，二極管的正負鉗位電壓送入跟隨器的電壓在-5～+5之間，經過跟隨器隔離之后再通過比例運算放大器等比例放大，然后送入采樣保持器。這樣就可以得到被測的信號。（2)電流的檢測，一般使用互感器，分流器等將電流信號處理并放大，作為后面電路保護和檢測用。

均流方法：工作框圖：所采用的是自動均流方法，這種均流方法采用一個窄帶電流放大器，輸出端口通過阻值為阻值為R連到均流的母線上，n個單元使用n個這種結構。

當輸出達到均流時，電流放大器輸出電流的I1這時I01處于均流的工作狀態。相反地，電阻R產生一個電壓，由這個電壓控制A1，然后A1再控制單元功率級輸出電流，最終使之達到均流。采用這種方法，可以使均流效果比較好，從而比較容易實現準確均流。在具體使用過程中，如果出現均流母線短路或者接在母線上的一個單元不處于工作狀態時，母線電壓會下降，將會使得每個單元輸出電壓會下調，甚至有可能達到下限，從而造成故障。并且當某一個模塊的電流上升至最大輸出電流，電流放大器輸出電流也會達到極限值，同時使得其他的單元輸出電壓自動下降。可以構成多余系統，均流模塊在數理論上可以不限。但是此方法的缺點是為使系統在動態調節過程中始終保持穩定狀態，通常要限制最大調節的范圍，要將所有電壓調節到電壓捕捉的范圍以內。如果有一個模塊均流線意外短路，則使得系統無法均流。單個的模塊限流可能引起系統的不穩定。在大系統中，系統穩定性與負載均流瞬間響應的矛盾很難解決。如果圖5中的電阻R支路上串一只二極管，則構成所謂的最大電流自動均流法。

過流保護方法：如圖6所示，利用電流互感器T2來監視負載的電流IT，IT在通過互感器的初級時，會把電流的變化耦合到它的次級，從而在電阻R1上會產生壓降。二極管D3會對脈沖電流進行整流，經過整流后再由電阻R2和電容C1進行平滑濾波。如果發生過載現象的時候，電容器C1兩端的電壓會迅速地增加，會使得齊納管D4處于導通狀態，從而驅動晶體管S1的導通，然后S1集電極的信號可以用來作為電源變換器調節電路的信號驅動。

電流互感器也可以用鐵氧體磁芯或MPP環形磁芯來繞制，但是要經過反復的試驗，從而來確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應該達到匝數比是電流比一般地，互感器的Np=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3)。具體繞制數據還要最后經過實驗調整，使其性能達到最佳的狀態。

4.設計實現

在設計中碰到的一些問題，比如，單片機產生的PWM好像驅動不了MOS管，我們得外加驅動;又控制信號不用單片機，只用一個電容電阻，或555定時器，再用一個三極管和滑動變阻器，反饋也可以。

5.測試

（1)測試使用的儀器：萬用表，接觸調壓器，示波器。

（2)產生偏差的原因：a.對效率所進行的理論分析和理論計算時，采用的器件參數的典型值，但實際器件的參數有明顯的離散性，電路性能可能因此而無法達到理論分析數值。b.電路的制作工藝并不是理想的，從而會增加電路中的損耗。

（3)改進方法：a.使用性能更好的器件，如換用導通電阻更小的電力MOS管，采用低阻電容；b.采用軟開關技術，從而進一步減小電力MOS管的開關損耗；c.采用同步式開關電源的方案，用電力MOS管代替肖特基二極管以減小損耗；d.優化軟件控制算法，進一步減小電壓調整率和負載調整率。

[1]沈建華,楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2]楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2005.

[3]閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,1997.

[4]王水平等.開關穩壓電源原理及設計[M].北京:人民郵電出版社,2008.