可調電流比例開關電源模塊并聯供電系統

楊敏 呂霜 歐進發

摘 要： 為了滿足大功率負載的供電需求，電源系統往往需要多個開關電源模塊并聯。由于不同電源模塊之間的外特性有差異，直接并聯不能保證供電系統正常工作，需要按各模塊的輸出能力分擔電流。為此，采用主從設置法設計一款開關電源模塊并聯供電系統。設計主要部分是兩個DC?DC開關穩壓電源模塊和電流測控系統。其中，開關電源模塊的核心器件為LM2596調節器；集成運算放大器LM358用于電流信號的放大；電壓比較器LM393用于比較主模塊和從模塊的電流值，并將比較結果返回從模塊，從而起到控制兩路電流比例的作用。當系統的總電流超過設定值時，啟動過流保護功能。經過測試，該設計能夠很好地實現兩路電流比為2∶1，1∶1及其他比例的分配，電流相對誤差小于2%，效率達到70%以上。

關鍵詞： 開關電源； 并聯運行； 均流； 主從設置法； 可調電流比例； 過流保護

中圖分類號： TN86?34； TM13； TM914 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0122?04

A switching power supply module parallel power supply system

with adjustable current ratios

YANG Min， L? Shuang， OU Jinfa

（School of Information Engineering， Wuyi University， Jiangmen 529020， China）

Abstract： Multiple switch power supply modules need to be connected in parallel in the power supply system to meet the power supply demand of high?power load. As there exist differences between the external characteristics of different power supply modules， a direct parallel connection cannot guarantee the normal work of the power supply system， and the current should be distributed according to output capability of each module. Therefore， a power supply system with parallel connection of switching power supply modules is designed by using the master?slave setting method. The main part of the design is composed of two DC?DC switching stabilized voltage power supply modules and the current measurement and control system. The core device of the switching power supply module is LM2596 regulator. The integrated operational amplifier LM358 is used to amplify the current signal. The voltage comparator LM393 is used to compare the current values of the master module and slave module and return the comparison results to the slave module， so as to control the ratios of two currents. When the total current of the system is higher than the set value， the over?current protection function is enabled. The test results show that the design can realize the distribution of 2∶1， 1∶1 and other ratios of two currents， with relative errors of currents lower than 2% and efficiencies over 70%.

Keywords： switching power supply； parallel operation； current sharing； master?slave setting method； adjustable current ratio； over?current protection

如今許多用電設備對電源的要求越來越高，這使得開關電源向大功率和高效率方向發展[1]。受到磁性材料和半導體功率器件本身特性的影響，單個大功率開關電源的制作就受到了限制[2]。此時將多個小功率開關電源進行并聯使用以代替單個大功率開關電源的優勢漸漸體現出來，多電源并聯系統成為開關電源發展方向之一[3?4]。

開關電源并聯供電系統是將多個小功率開關電源模塊以“積木式”并聯組合起來的智能化大功率開關電源系統。其相對于單個大功率電源系統有靈活性高、可靠性高、縮短研發周期、方便實現N+m冗余供電和方便維護等優點[5]。實際應用中，并聯電源模塊之間外特性不一致，需要按各模塊的輸出能力分擔電流，因此，并聯電源系統中很有必要引入分流控制方案[6]。

1 系統設計

本文設計的總體系統框圖如圖1所示，整個系統由兩個DC?DC電源模塊（兩模塊均為額定功率16 W，輸出電壓8 V）、電流測控電路、單片機控制系統及顯示和輔助電源模塊等部分組成。并聯開關電源供電系統輸入為24 V直流電壓，輸出8 V直流電壓，輔助電源給電流測控電路、單片機控制系統和過流保護電路供電。系統采用主從設置法控制各模塊電流分配[2，6]。DC?DC電源模塊1為主模塊，模塊2為從模塊，兩模塊并聯向負載供電，電流測控電路檢測兩個模塊的電流并進行比較，反饋回從模塊，以調節兩路電流比例。單片機控制系統采集兩路電流值數據并用LCD1602顯示出來，內部設置過流保護電流閾值，當電流超過4.5 A時，單片機控制過繼電器打開，使并聯電源系統與負載斷開，從而達到保護電路的目的。

1.1 DC?DC電源模塊設計

DC?DC電源模塊電路如圖2所示。核心器件為LM2596，調節RP2可以調節輸出電壓。兩個電源模塊電路相同。R11取值在240 Ω～1.5 kΩ之間，因為過大的阻值會使噪聲對電壓反饋造成影響[7]，故選擇R11值為1 kΩ，精度為1%的電阻。由式（1）可得[7]，若輸出電壓VOUT=8 V，則RP2=5.5 kΩ。

[RP2=R11VOUTVREF-1] （1）

式中，VREF=1.235 V。

1.2 電流測控電路設計

電流測控電路如圖3所示。電路核心器件是一個集成運算放大器LM358和一個電壓比較器LM393，LM358為雙路運放（運放A，運放B），內部兩個運放都分別設計成差分放大電路[8?10]。

在每個開關電源模塊的輸出端分別都串聯阻值為0.1 Ω的采樣電阻，為了減小大電流時溫度升高產生的溫度漂移，將4個0.1 Ω電阻兩兩串聯再并聯。每個開關電源模塊的電流流經各自的采樣電阻，模塊1（主模塊）采樣電阻兩端的信號放大后經過由R27，R28和RP15構成分壓電阻網絡后輸入電壓比較器LM393同相端，模塊2（即從模塊）的電流信號放大后直接輸入電壓比較器的同相端。

電壓比較器將比較的結果Vout1反饋回模塊2的反饋端（LM2596的4腳），從而對兩模塊的電流進行控制。當撥碼開關全部閉合時，比較器反相端電壓為LM358放大后電壓，此時，控制電流分配比例是1∶1；當撥碼開關14閉合、23打開時，比較器反相端電壓為LM358放大后電壓的[12]，控制電流分配比例是1∶2；當撥碼開關14打開、23閉合時，調節RP15即可調節電流分配比例。

1.3 單片機測控系統

單片機控制系統電路如圖4所示。單片機為STC12C5A60S2，利用其自帶的A/D轉換器采集兩個模塊的電流信號，用LCD1602進行顯示電流值。在單片機程序內設置過流閾值，當兩路電流值相加超過4.5 A時，P3.7輸出高電平，以控制過流保護電路中的繼電器打開，并進行延時；延時結束閉合繼電器。

1.4 輔助電源設計

由于電流測控電路需要12 V供電，單片機控制系統需要5 V供電。12 V輔助電源模塊仍然使用LM2596作為核心器件用于設計，如圖5所示。

5 V電源核心器件為三端集成穩壓器LM7805，由12 V輔助電源輸入12 V電壓，經過LM7805后輸出5 V的電壓，如圖6所示。

1.5 系統軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖7所示。

2 系統測試

調整負載電阻從1 000～2 Ω，測試并記錄系統輸出電壓UO數據，如表1所示。

由表2可知，總電流1 A支路電流比例1∶1時，每個模塊電流相對誤差最大為1.19%，小于2%；由表3可知，每個模塊電流相對誤差為1.2%，小于2%，額定輸出功率下，效率最小值為78.36%，遠大于70%；由表4可知，總電流4 A支路電流比例1∶1時，每個模塊電流相對誤差最大值為1%，遠小于2%，效率最小值為72.52%。由表5可知，總電流1.5～3.5 A（支路電流范圍0.5～2.0 A）任意比例測試，每個模塊電流相對誤差最大值為1.052%，遠小于2%，效率最小值為72.37%。

從上述表格可知，在總電流從1.5～3.5 A變化，支路電流可以按照任意比例調節，不同比例系數情況下，任意模塊輸出電流誤差均小于2%，效率均高于70%。

3 結 論

本文設計了一款開關電源模塊并聯供電系統，采用主從設置法對電源模塊之間的電流進行控制，經過理論分析與實驗驗證，實現了開關電源并聯系統中兩個電源模塊能夠按指定比例進行電流分配的功能和系統過流保護功能。經過測試，兩個模塊電流在指定比例下相對不超過2%，額定輸出功率下系統效率大于70%。

參考文獻

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