一種高精度開關電源模塊并聯供電系統的研究

陳小橋， 陳 慧， 李 俊， 張 令

(武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢430072)

0 引 言

在諸如空間站、基站、計算機服務器等需要大功率、高精度不間斷供電的電源系統場合中，單個開關電源已經不能夠滿足設備的正常供電需求［1-3］。采用多個開關電源并聯的技術已成為大功率分布式電源的重要組成部分。本系統設計并制作了一種以ARM 微處理器TM4C123G 為控制核心的高精度開關電源模塊并聯供電系統，系統以兩路同步Buck 降壓模塊并聯為主回路，通過電壓電流采樣反饋和微處理器的雙環PID 調節，保持輸出端電壓穩定，并可設置兩路Buck電路輸出電流以任意比例分配。實驗結果表明，該系統兩路設定比例分配的輸出電流相對誤差在0.1%之內，輸出的電壓穩定在0.6%的相對誤差內波動，在額定功率時效率可高達90%，具有精度高、穩定性好和效率高的特點。

1 原理介紹

1.1 DC-DC 變換器穩壓方法

系統主回路的單路同步降壓Buck 電路［1-6］，由TM4C123G 產生兩路頻率相同相位相反的PWM 波控制單路Buck 電路中的兩個MOSFET 管Q1、Q2 交替導通。為了防止兩個MOSFET 同時導通造成短路損害電源，必須增加死區時間的設置［7-11］，兩路PWM 波形如圖1 所示。

圖1 單路DC/DC PWM 波控制波形

圖中:TS為PWM 波的周期;D1和D2分別為高邊Q1 和低邊Q2 的導通時間占空比。同理，可適用于另一路Buck 降壓電路，設它的高邊和低邊MOSFET 管的導通時間占空比為D3和D4。由Buck 降壓電路原理可得，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的關系為

系統兩路開關并聯模塊可抽象為如圖2 所示的數學模型。Uo是DC/DC 模塊輸出直流電壓，R1、R2為兩路輸出直流等效電阻，負載電阻RL被兩路共享。由于單路Buck 的兩路PWM 波形同頻反相且存在死區時間，故D1+D2=C(常數)≠1。

圖2 系統數學模型

其中一路Buck 降壓電路輸出電壓為

由基爾霍夫電流定理可得

當兩路電流設定比例為I1/I2=n 時，聯立Uo=RL(I1+I2)，可得:

由式(5)和(6)可得，在輸入電壓穩定，死區時間不變的情況下，調整負載，進行輸出端電壓采樣，TM4C123G 通過對采樣數據的處理先同時調整兩路的PWM 波使輸出電壓穩定，在保持兩路PWM 波輸出占空比值不變的情況下，微調兩路的PWM 波以改變兩路輸出電流之比，使系統具有快速瞬態響應和穩定的輸出。由于系統兩路Buck 模塊的等效輸出電阻不會完全相同，所以在調節輸出電流反饋的同時加入電壓反饋，在雙環PID 的控制下實現穩壓輸出。

1.2 均流方法

本系統采用主從均流［12-15］的方法實現兩路輸出電流按設定比例分配。用戶通過鍵盤設定兩路輸出電流的比例為n，系統先檢測輸出電壓，當已實現穩壓輸出時，設一路電流值為I1，則另一路電流值為I2，測量兩路輸出電流并判斷I2/I1=n 是否成立，若不成立，則以I1為參考電流，假設此時兩路輸出電流已滿足一定比例分配，那么另一路輸出電流理論值應為nI1，比較其實際與理論的差值可得ΔI2，根據誤差值選擇合適的PID 調節參數，每次調節占空比后重新檢測電壓和兩路電流值，進入下一次循環，通過這種數字閉環反饋主從控制方法最終實現均流輸出。

2 系統硬件設計

圖3 系統整體電路框圖

2.1 整體設計

系統由并聯模塊、反饋回路、控制部分、保護電路和輔助電源組成，系統框圖如圖3 所示。主回路為兩個同步Buck 降壓模塊并聯;反饋回路為雙路電流采樣電路和輸出電壓采樣電路;控制部分以ARM 微處理器TM4C123G 為核心，調控PWM 驅動電路;保護電路對過流和短路情況進行保護，并在故障解除后自動恢復正常工作狀態;輔助電源為整個系統的芯片進行供電，保證其正常工作。本系統以微處理器為控制核心，利用雙環PID 閉環調節，使輸出電壓穩定，輸出電流比例精確控制，抗干擾性強，效率高。

2.2 單片機最小系統模塊

作為本系統的控制核心，ARM 微處理器TM4C123G 具有非常優良的特性。TM4C123G 是美國Texas Instruments 公司生產的高性能、低成本的32 位處理器，帶有高效的指令集和特別優化的設計，具有優異的能耗效率和更快的中斷處理。本系統利用TM4C123G 高達80 MB 的運行速度，產生20 kHz 的PWM 波，最小調整占空比精度可達2.5 ×10－4，符合IEEE754 的單精度浮點單元將采樣電路得到的數據進行處理，從而使PID 調節更加精確有效。

2.3 主電路設計

本設計采用驅動芯片UCC27211 進行驅動，該芯片利用自舉電容和自舉二極管實現對開關管的驅動。此驅動電路可以提高系統的可靠性，降低開關管的能量損耗并且減少EMI 和EMC。開關管選取IRF540N，它的導通電阻為77 MΩ，耐壓值高，能夠降低開關管的導通損耗進而提高系統的整體效率。后接LC 低通濾波電路，濾除高次諧波使輸出電壓穩定。電路圖如圖4 所示。同理，另一路同步Buck 降壓電路結構也如圖4 所示。

圖4 單路同步Buck 降壓電路

2.4 電流電壓采樣電路

為了提高采樣電壓電流數據的精確度，本系統采用美國TI 公司生產的24 b 高速AD 轉換器ADS1256進行數據采樣。該采樣芯片內置四階ΔΣ 轉換模塊，有8 個采樣通道，具有采樣精度高、噪聲小且反饋速度快的特點。進行電流采樣時，利用具有低電阻溫度系數、寬使用溫度范圍、焊接性能良好的康銅絲作為電流檢測電阻。進行輸出電壓采樣時，對輸出端電壓采用分壓網絡并將分壓后的電壓通過放大器送入采樣芯片輸入口。ADS1256 對三個輸入端的信號進行循環采樣，并將采樣數據送給控制器進行處理。電路圖如圖5 所示。

圖5 電壓電流采樣電路

2.5 輔助電源

根據系統對12V 和5V 輔助電壓的需求，采用美國TI 公司的開關穩壓芯片TPS54160 和TPS54340。TPS54160 是具有3.5 ～60 V 寬輸入電壓范圍，1.5 A輸出的降壓轉換穩壓器，能將輸入電壓降壓為12 V，電路圖如圖6 所示。該器件內部集成FET，可顯著降低能耗，提高系統效率。TPS54340 內置MOSFET，外圍電路簡單，效率高且內置基準電壓，它為系統產生5 V 的輔助電壓。

3 系統軟件設計

系統首先進行各模塊的初始化，然后通過電壓PID 調節使Buck 電路輸出電壓降壓為額定值，待輸出電壓穩定時，進行多次快速電流PID 調節，使從路電流逼近用戶設定的主從路電流比，同時進行過流檢測及保護，還有鍵盤掃描和LCD 屏幕顯示的設置。系統的程序流程圖如圖7 所示。

4 結 語

本文基于開關電源并聯技術在現代大功率電源中發揮的重要作用，設計并制作了一套以ARM 微處理器TM4C123G 為控制核心的高精度開關電源并聯模塊供電系統。該系統的難點在于DC/DC 模塊穩壓原理、均流控制以及電路中各種去除噪聲和減少耗能的措施。該系統經過仔細調試后取得了良好的效果，額定功率時效率可高達90%，兩路設定比例分配的輸出電流相對誤差在0.1%之內，輸出的電壓穩定在0.6%的相對誤差內波動。本系統具有精度高、穩定可靠和效率高的特點，可滿足實用需求。

圖6 TPS54160 輔助電源

圖7 程序流程圖

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