基于并聯(lián)雙電源按比例對(duì)負(fù)載供電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系 吳 東 任 賽 李家旺

1.引言

當(dāng)今社會(huì)，電子技術(shù)快速發(fā)展，電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，許多的電子產(chǎn)品都離不開電源，而對(duì)電源的要求也越來越高，電源的研發(fā)也是現(xiàn)在人們關(guān)注的問題之一。電源輸出電流按比例對(duì)負(fù)載供電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以DC/DC并聯(lián)降壓電源為基礎(chǔ)研究并聯(lián)的降壓模塊的電流自動(dòng)分配問題，該系統(tǒng)能使24V電壓通過降壓電路輸出8V電壓，并對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，當(dāng)總電流達(dá)到一定條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)電流按預(yù)先設(shè)定的比例進(jìn)行自動(dòng)分配。該系統(tǒng)的具有一定實(shí)用性。

2.系統(tǒng)工作原理

并聯(lián)雙電源輸出電流按比例對(duì)負(fù)載供電控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由電源模塊、電壓采樣模塊、電壓放大模塊、電壓比較模塊等組成。系統(tǒng)由兩個(gè)DC/DC降壓電源對(duì)共同對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，當(dāng)負(fù)載電流低于1.6A時(shí)，系統(tǒng)使兩個(gè)電源的電流自動(dòng)按1:1的比例對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)負(fù)載電流超過1.6A時(shí)，兩個(gè)電源模塊的電流自動(dòng)按1:2對(duì)負(fù)載供電。本系統(tǒng)通過電壓進(jìn)行采樣模塊對(duì)負(fù)載電流采樣獲得隨負(fù)載電流變化的電壓，通過信號(hào)放大模塊對(duì)采樣電壓進(jìn)行放大，放大后的采樣電壓送入電壓比較模塊與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使電壓比較器按設(shè)定的負(fù)載電流（即是否高于1.6A）輸出高低電平，利用輸出的高低電平控制繼電器工作，選擇兩個(gè)電源降壓支路，從而實(shí)現(xiàn)使電源電流自動(dòng)據(jù)負(fù)載電流的變化按設(shè)定的比例即：負(fù)載電流低于1.6A時(shí)，兩個(gè)電源模塊自動(dòng)按1:1的比例對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)負(fù)載電流超過1.5A時(shí)，兩個(gè)電源的電流自動(dòng)按1:2對(duì)負(fù)載供電。

3.電路模塊

3.1 電源電路模塊及工作原理

電源電路模塊原理圖如圖2所示，LM2596芯片是一種降壓型電源集成電路，它輸出的驅(qū)動(dòng)電流是3A，具有負(fù)載調(diào)節(jié)特性，該電路的外接元件很少，只需要7個(gè)外接元件，極大地簡(jiǎn)化了降壓電路的設(shè)計(jì)。該電路是通過控制脈寬來達(dá)到降壓效果。在電路中，我們選擇SK36續(xù)流二極管來使輸出端形成回路。輸出電壓的計(jì)算可由下式給出：

改變分壓去路2R或3R的阻值可改變電壓的同時(shí)，還可以改變兩個(gè)并聯(lián)電源對(duì)負(fù)載供電電流的比例。本系統(tǒng)兩個(gè)并聯(lián)電源按預(yù)先設(shè)定的負(fù)載電流，自動(dòng)改變對(duì)負(fù)載供電電流的比例是通過對(duì)負(fù)載電流取樣獲得的電壓處理后產(chǎn)生的高低電平，利用高低電平來控制降壓支路中的繼電器從而選擇2R和3R二者中的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。

3.2 采樣及信號(hào)放大模塊及工作原理

采樣和信號(hào)放大模塊原理圖如圖3所示，選取一個(gè)比較小的電阻對(duì)負(fù)載支路中的電流進(jìn)行采樣，將采樣獲取的電壓輸入到LM358芯片的輸入端，通過放大電路對(duì)采樣電壓進(jìn)行放大，使輸出電壓達(dá)到電壓比較電路的要求。

3.3 電壓比較模塊

電壓比較模塊原理圖如圖4所示，將經(jīng)圖2.2采樣及信號(hào)放大模塊放大的電壓信號(hào)輸入LM393芯片的輸入端，通過電壓比較電路，與參考電壓進(jìn)行比較，輸出高低電平信號(hào)，經(jīng)三極管構(gòu)成的放大電路放大后送去控制繼電器工作，實(shí)現(xiàn)通過繼電器工作來選擇電源模塊降壓支路，以達(dá)到電流按比例分配。

4.主要元件介紹

4.1 LM2596芯片

LM2596是一個(gè)開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，是用來作為降壓型電源管理單片集成電路，輸出的驅(qū)動(dòng)電流是3A，同時(shí)具負(fù)載調(diào)節(jié)特性。可以輸出1.2V～37V之間的各種電壓。該元件與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，能使用更小規(guī)格的濾波元件來濾波。該器件只需7個(gè)外接元件，也可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這就使LM2596的使用效果更加好，極大地簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

LM2596芯片的主要特色有以下幾個(gè)方面：它的最大輸出電流是3A，而最高輸入電壓是40V，輸出電壓有3.3V、5V、12V及（ADJ）幾種，它最大輸出電壓37V，該芯片的震蕩頻率是LM2596芯片的主要特色有以下幾個(gè)方面：它的最大輸出電流是3A，而最高輸入電壓是40V，輸出電壓有3.3V、5V、12V及（ADJ）幾種，它最大輸出電壓37V，該芯片的震蕩頻率是150KHZ，而轉(zhuǎn)換效率是75%至88%，不同電壓輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換效率有所不同，工作溫度范圍是-40℃至+125℃，它的工作模式是低功耗模式和正常模式，也可以外部進(jìn)行控制，工作模式控制是TTL電平相容，所需外部組件很少，具有器件保護(hù)功能，即熱關(guān)斷及電流限制。它的封裝形式有TO-220(T)和TO-263(S)兩種。

4.2 LM358芯片

LM358內(nèi)部有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，該芯片主要適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，它也適用于雙電源工作模式。該芯片的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358的內(nèi)部頻率補(bǔ)償：直流電壓增益高約100dB，單位增益頻帶寬約為1MHz，電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫礊?至30V；雙電源為±1.5至±15V，低功耗電流，而且適合于電池供電。

表1 測(cè)試儀器表

表2 兩個(gè)模塊并聯(lián)后電流表

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 電源電路模塊原理圖

圖3 LM2596引腳圖

圖4 電壓比較模塊原理圖

4.3 LM393芯片

電壓比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的單元電路。基本上電壓比較器就是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，但這個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)比特的輸出。電壓比較器有兩個(gè)輸入端，當(dāng)輸入端的電壓為一定的時(shí)候，我們稱它為參考電壓，另一輸入端電壓若高于參考電壓，輸出端就為高電平，輸入端電壓若低于參考電壓-，輸出端則為低電平。利用這一特性，電壓比較器可以用于監(jiān)測(cè)電壓的變化，并可以控制一個(gè)電路的開關(guān)。常用的電壓比較器有單限比較器、滯回比較器、窗口比較器、三態(tài)電壓比較器等。當(dāng)然，電壓比較器也可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運(yùn)算放大器。我們也可用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系。

4.4 SK36肖特基二極管

在電路中，我們要用到續(xù)流二極管，通常一般選擇快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管就可以了，用來把線圈產(chǎn)生的反向電勢(shì)通過電流的形式消耗掉，由此可見“續(xù)流二極管”并不是一個(gè)實(shí)質(zhì)的元件，它只不過在電路中起到的續(xù)流作用，經(jīng)比較，我們選擇貼片式SK36肖特基二極管作為續(xù)流二極管，續(xù)流二極管經(jīng)常和能夠儲(chǔ)能元件一起使用，防止電壓電流突變，提供通路。續(xù)流二極管并聯(lián)在電感兩端使用，電感可以經(jīng)過續(xù)流二極管給負(fù)載提供持續(xù)的電流，以免負(fù)載電流突變。當(dāng)LM2596內(nèi)部斷開時(shí)，不能持續(xù)供電的情況下，續(xù)流電路可以釋放掉線圈中儲(chǔ)存的能量，防止感應(yīng)電壓過高。

線圈有電流通過時(shí)，會(huì)在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)線圈上的電流消失時(shí)，線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的元件產(chǎn)生反向電壓。如果反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)造成元件損壞。當(dāng)續(xù)流二極管并聯(lián)在線圈兩端時(shí)，如果流過線圈中的電流消失，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過續(xù)流二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。從而保護(hù)了電路中的其它元件不被損壞。

5.系統(tǒng)測(cè)試

5.1 系統(tǒng)測(cè)試使用的儀器(如表1)

5.2 系統(tǒng)特性測(cè)試

兩個(gè)模塊并聯(lián)供電測(cè)量數(shù)據(jù)如表2。

6.結(jié)論

系統(tǒng)性能達(dá)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)總電流低于1.7A時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)電源的電流基本達(dá)到1:1，在總電流超過1.7A時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)電源模塊的電流基本保持1:2。

但該系統(tǒng)還存在一定偏差，系統(tǒng)中的起跳電流是1.7A，只有總電流達(dá)到1.7A以上，兩個(gè)電源的電流才能基本達(dá)到1:2，兩電源對(duì)負(fù)載供電電流達(dá)到1:2時(shí)，調(diào)節(jié)減小負(fù)載，降低總電流，繼電器跳回常閉狀態(tài)，兩個(gè)并聯(lián)電源對(duì)負(fù)載的供電電流返回到1:1的比例的總負(fù)載電流不是1.7A，實(shí)測(cè)值比1.7A低一些。系統(tǒng)的特性還有侍于進(jìn)一步完善。該系統(tǒng)有一定的實(shí)用價(jià)值。

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