开关电源模块并联供电系统3_图文

赛题号:A

参赛队号:20110092

开关电源模块并联供电系统
摘要: 在电源的实际使用过程中,各种负载对于供电的可靠性要求不同,当单 : 台电源不能提供负载的全部容量的时,就需要多个电源模块并联使用,以提高电 源的容量和运行的可靠性。 在实际的使用过程并不是简单的把各个电源并联使用就可以让电源平均承 担功率。这是由于电源各自参数的分散性,使得每个电源的开路电压和内阻均会 存在差异,通常开关电源的内阻都非常小,因此开路电压很小的差异就会导致各 电源的输出电流有较大的差异,这种状态会导致各个电源的寿命衰减不一致,达 不到电源的可靠性和稳定性的要求, 这就要求在电源并联使用过程中使用均流技 术。 对设计工程师来说,环流会造成毁灭性灾难,无论你的设备是计算机还是通 信系统。有些工程师缺乏对环流的正确认识,因为在原理图上一般用一个接地符 号或公共符号表示所有电路的返回路径。初级工程师经常错误理解这个符号,认 为它代表零阻抗。情况并非如此,接地符号只表示你原理图上的一种线路。如果 接地连接中的电流足够大,或者变化得足够快,就会产生一个相当大的电压,该 电压可能影响到电源的精度。另外,在仪表应用中,该电压还会造成测量误差, 数字系统工程师必须努力应对接地弹跳问题。 音频缓冲器会出现可怕的接地环路 中的环流效应,它会引起蜂鸣和哼声。 关键词: 关键词:BUCK DC-DC 变换 LM2576 LM331 PWM 调压

Abstract: In the power of the actual use of the process, various load for power supply reliability requirements are different, when a single power supply can not provide the full load capacity, we need more power modules in parallel, in order to improve the power supply capacity and reliability. In actual using process it is not simple to various power supply in parallel using can make the power to bear an average power. This is due to the power source to the respective parameters of the dispersion, such that each power supply voltage and internal resistance will exist differences, usually switch power source internal resistance is very small, so the open-circuit voltage is a very small difference will lead to the power of the output current has bigger difference, this condition leads to various power lifetime decay inconsistent, amounted to the power supply reliability and stability requirements, this requires that the power supply in parallel using a process using current technology.
For design engineers, circulation can cause catastrophic, whether you device is a computer or communication systems. Some engineers lack correct understanding of circulation, as in the diagram with a grounding symbols or public symbols representing all circuit return path. Junior engineer often wrong understanding of

this symbol, it represents a zero impedance. That is not the case, an earth symbol just means you diagram on a line. If the ground connection of current is large enough, or the change fast enough, will produce a large voltage, the voltage may affect the power of the precision. In addition, the instrumentation applications, the voltage will result in measurement error, digital systems engineer must try to cope with the problem of ground bounce. Audio buffer will be terrible in the ground loop circulation effect, it would cause a buzz and hum.

KEY WORD::BUCK :

DC-DCtransform

LM2576

LM331

PWM booster

引言
1)任务 设计并制作一个由两个额定输出功率均为 16W 的 8V DC/DC 模块构成的并联供 电系统(见图 1)。

2)要求 1.基本要求 1. (1)调整负载电阻至额定输出功率工作状态,供电系统的直流输出电压 UO=8.0±0.4V。 (2)额定输出功率工作状态下,供电系统的效率不低于 60%。 (3)调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0 ±0.4V,使两个模块输出电流之 和 IO =1.0A 且按 I1:I2=1:1模式自动分配电流,每个模块的输出电流的相 对误差绝对值不大于 5%。 (4)调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0 ±0.4V,使两个模块输出电流之

和 IO =1.5A且按 I1:I2= 1:2模式自动分配电流,每个模块输出电流的相对误差 绝对值不大于 5%。 2.发挥部分 (1)调整负载电阻,保持输出电压 UO=8.0 ±0.4V,使负载电流 IO在 1.5~3.5A 之间变化时,两个模块的输出电流可在(0.5~2.0)范围内按指定的比例自动 分配,每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于 2%。 (2)调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0 ±0.4V,使两个模块输出电流之 和 IO=4.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流, 每个模块的输出电流的相对 误差的绝对值不大于 2%。 (3)额定输出功率工作状态下,进一步提高供电系统效率。 (4)具有负载短路保护及自动恢复功能,保护阈值电流为4.5A(调试时允 许有±0.2A 的偏差)。 (5)其他。

方案设计

1.设计方案论证: (1). BUCK 型电路实现方案论证与选择 方案一:采用 PWM 控制芯片 采用 TI 公司的脉宽调制控制器 LM331 作为 BUCK 型拓扑扩流的 PWM 控 制芯片。LM331 的最高工作频率 300KHz,内有两个误差信号比较器,能同时实 现电压模式和电流模式控制,方便做过流保护;但由于 BUCK 型拓扑的 MOS 管 驱动需外加上管驱动芯片 LM324,而 LM324 会有 0.2W 左右的功耗,对于仅 5W 输出的电源来说,会消耗掉 4 个百分点的效率。 方案二:采用 LM2576 采用 LM 公司的 BUCK 型 DC/DC 芯片 LM2576,其最大输出电流 3A,内部 集成驱动电路和 1.221V 基准源,固定工作频率 500KHz。用 LM2576 可使电路 结构简单化,系统的可靠性高,且高的工作频率减小了对电容和电感的要求,使 系统小型化。 综合考虑,为了使系统有较高的效率和可靠性,我们选择方案二。

(2).分流方案论证与选择 方案一:下垂法(Droop)

(a)、电路结构

(b) 、特性曲线

图一、Droop 法及特性曲线 下垂法(又叫斜率法)是最简单的一种分流方法,电路结构如图一(a) 。其 原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻,改变模块单元的输出电阻,使 外特性的斜率趋于一致,达到分流。由图一(b)可见,下垂法的分流精度取决 于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。但此 方法小电流时分流效果差,随着负载增加分流效果有所改善;对本系统而言,我 们希望外特性斜率越小越好,而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流, 该法只适合应用在分流精度大于或等于 10%的场合;很难达到 5%的均流效果。 方案二:最大电流法(自动分流法) 图二所示为最大电流法控制框图,最大电流分流技术由环外调整和母线自主 配置相结合而成,不改变模块基本单元的内部结构,只需在电压环外面叠加一个 均流环,各模块间接一条分流母线 CSB。因为二极管单向性,只有电流最大的模 块才能与均流母线相连,该模块即为

图二 、最大电流法

主模块。其余为从模块,比较各自电流反馈与分流母线之间电压的差异,通 过误差放大器输出来补偿基准电压达到均流。 这种分流方法有专门的分流芯片,如 LM 公司的 LM2576,系统可靠性较 高。但由于二极管总存在正向压降,因此主模块的均流会有误差;而且分流是一 个从模块电流上升并超过主模块电流的过程, 系统中主、 从模块的身份不断交替, 各模块输出电流存在低频振荡,降低了分流的稳定性。 方案三:主从分流法 主从法的分流思想是在并联电源系统中,人为的指定一个模块为主模块,直 接连接到均流母线,其余的为从模块,从母线上获取均流信号。图五为采用电压 环内调整结构的主从分流法。主模块工作于电压源方式,从模块的误差电压放大 器接成跟随器的形式,工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整, 模块的输出电流与误差电压成正比,所以不管负载电流如何变化,各模块的电流 总是相等。采用这种分流法,精度很高,控制结构简单,模块间联线少,易于拓 展为多路。缺点是一旦主模块出现故障,整个系统将瘫痪。 综合考虑对于本系统只有两路电源,而且又采用 DC/DC 芯片设计,系统不 确定因素少,所以可靠性很高,又主从均流法精度很高,设计简单,成本低,所 以我们采用方案三实现分流。 2.理论分析 (1)功率变换电路的设计及参数计算:
VO = Ton × Vin Ton + Toff

(2)分流拓扑的设计及参数计算:

图中 R7、R8、R9 均为防噪电阻,D1、D2 是续流二极管,L1、L2 为储能电 感,R1 和 R2 为电流取样电阻,阻值均为 0.05 欧的低温漂金属膜电阻, 电流信号通过电阻转换成小电压信号后经运放放大一定倍数,然后分别送到 OP37 的正负输入端进行进一步误差放大。 OP37 的输出端反馈到从电路的电压反 馈端,由于 OP37 低失调电压,所以理论上可以将两路的电流差控制在 5mA 以 内。当并联时,将开关 S1 闭合,如果某个时刻从电路电流增加,运放的电压正 端(3 端)与负端(2 端)的电压差增大,运放的输出端(6 端)电压升高,此信 号可以起到调制从电路占空比,使其减小以达到减小从路输出电流,即均流的目 的;反之,当从路电流减小时,运放输出电压减小,调制从路电流增加。储能电 感设计要求轻载时电源工作在电流连续方式;因为若轻载时工作在电 流断续方式,则输出电压会升高,会影响电源的负载调整率。 (2) .过流保护电路: 过流保护及自恢复实现原理如图七。图中 X、Y 端口接采样电阻 R1 或 R2 两端,INA128 是高精密仪表放大器,电阻 R11 可调整过流保护点的电流值,继 器的 3 端接 STC89C52 的使能端 EN 。当电流达到保护点时,仪放输出高电 平,三极管导通,继电器打到 3 端,LM331 使能端低电平停止工作,同

时蜂鸣器接通发出警报;当故障解除后,由于三极管的基极电流非常小,电容 C11 的放电速度很慢。C11 的放电电流继续维持三极管导通一段时间。当 C11 提 供电流,三极管截止继电器打到 2 端,LM331使能有效,电源恢复正常。

(3)LM2576的应用电路
LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片 ,它 内含固定频率振荡器(150KHZ) ,和基准稳压器(1.23v) ,并具有完善的保护电路:电流限 制、 热关断电路等。 利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。 提供有: 3.3V、 5V、12V及可调(-ADJ)等多个电压档次产品。

(4)V/F变换电路 电流变换电路用到了LM331芯片

(5)扩流与PWM波电路 将输入端的电流进行放大,用PWM波对输出的电流进行控制

五、作品达到的性能指标: 作品达到的性能指标: 1.测试仪器:我们整个测试用到了以下仪器: (1) 、VC203 型万用表 (2) 、双踪示波器 (3) 、滑线变阻器(2.5A 70 ? ) (4) 、数字表头 (5) 、电流与电压表表头 2、测试步骤及测试方法: (1).输出电压测试方法:电源输出端接上 70 欧变阻器,工频变压器插上电, 用 VC203 型万用表测量输出电压值,分别调节反馈电阻值,测量单输出电 压变化范围;然后两路并联测量。测试结果见表一。 (2).负载调整率测试方法:先测独立时的调整率,用 VC203 型万用表测空载 电压并调至 5V 附近并记录电压值,然后再用一个 VC203 型万用表作为电 流 录 表与变阻器串联接入电源输出端,将负载阻值由 50 欧匀速变化至满载,记 输出电压,计算出负载调整率;并联时方法与独立时相同测试结果见表二。 (3).过流保护及自恢复测试方法:分别测试两路的过流保护,将变阻器与电 流表串联接入输出端,上电后,匀速减小负载阻值至过流,蜂鸣器报警,记下 该点电流值,然后增大负载阻值,解除过流状态,电路能否恢复工作。 (4) 测试结果: 主路过流保护点 1.213A,故障解除 10 秒后恢复;从路过流保护点 1.272A, 故障解除 10 秒后恢复。实现了过流保护和自恢复功能。 (5) 、电源总效率测试方法:效率从功率变换后端算起。为了减小由于表的差 异对测试结果的影响,我们决定用两个万用表先测量输出端功率,再测量输入 端功率。两路并联,用两个 VC203 型万用表,一个作为电压表,一个作为电 流表,变阻器与电流表串联,接到输出端,上电后,调节负载,测量输出的电 压 Vo,记录电压、电流值;然后断电,负载值不变,将电流表串接在功率变换

与均流电源之间,再上电,用电压表测量输入电压,记录输入电压与输入电流。 如此重复再测几个点。测试结果见表三。 、纹波测试方法:电源独立工作,上电后接上负载,将示波器探头分别接 (6) 到电源的输出的正负端,调节示波器至 2mV 档,然后将负载从轻载缓慢的 调至重载, 记录下示波器显示的最大峰峰值 Vpp, 即最大纹波。 测试结果见表四。 、分流测试方法:用两个 VC203 型万用表都调到电流档,分别串接到主从路 的输出端,然后将主从路并联接上变阻器,调节阻值从 50 欧姆匀速的变化至满 载,观察两个电流表显示的电流值,记录下 0.5A~1.5A 之间十个点的电流值, 计算出均流偏差。测试结果见表五。均流偏差计算公式如下:I 1、 I 2 分别为两支
路电流。

3、测试结果: (1) 、输出电压调节范围: 最小输出电流 1.505A 0.515A 最大输出电流 3.515A 2.013A

主路 从路

表一、输出电压调节范围测试结果 (2) 、负载效应测试结果: 空载电压 8.007V 8.006V 满载电压 8.004V 8.004V 负载调整率 0.06% 0.04%

主路 从路

表二、负载效应测试结果 (4) 、电源总效率测试结果: 测试点 1:1 1:1 1:2 1:1 1:1 输 入 电 流 输 入 电 流 输 出 电 压 输 出 电 流 电源效率 1 2 (V) (A) 0.569 0.566 8.007 1.133 90.5% 2.022 2.037 8.007 4.050 91.6% 0.522 1.035 8.005 1.523 91.4% 1.020 1.520 1.046 1.518 8.005 8.003 2099 3.127 91.6% 92.0%

表三、分流偏差测试结果

3、误差分析: 从测试结果来看,我们设计的作品所有指标都已超过了题目要求, 我们每个模块的输出电流的相对误差的绝对值在 1%以内, 不大于 2%; 效率在 75% 左右,超过了要求的 60%。但是我们电源分流时两路的电流仍有一定的误差,并 非绝对按比例分流;而且分流偏差变化不是线性的,即输出电流增大时,分流偏 差不是单调变化。主要原因是由于我们分流方法是主从分流法,通过运放 LM324 调制实现的,而运放两个输入端不能真正做到“虚短虚断” ,会存在 30uV 左右 的失调电压,导致两路电流必定有一定的误差;若需要进一步减小误差,则需采 用更为精确的比例电流分流法。分流误差的非单调变化,主要是由于采样电阻等 分立元件的温漂及杂散噪声引起,当温度变化或工作频率变化时,电阻会偏离原 来的阻值,导致运放两端输入电压偏离理论计算值,从而使调制信号变化,分流 不是严格按比例分的。 4.进一步改进: 本系统利用直插 MC34063 稳压器切换/DC-DC/转换器和控制器以及运放 LM324 的反馈调制达到了很好的分流效果,并且其他指标都超过题目要求;能 够很好的按比例进行分流,虽然存在一定的误差。但由于能力及时间的限制,我 们的系统还有不完善的地方。具体改进的地方有: (1) 、增加电源的过压和欠压保护功能。 (2) 、增设掉电保护功能。 (3) 、更科学的电路布局,将系统做的小型化。 六、创新点 1.本系统采用了稳压、扩流的技术 2.V/F 变换检测直流电流 3.PWM 波扩流 4.LM2576 的应用 七、总结 测试表明我们设计、制作的开关电源模块并联供电系统不仅完成了题目所规 定的基本功能和指标,完成了发挥部分的各项要求,而且在许多指标上有较大提 高,在功能、操作界面、操作方式上有很大发挥。

参考文献: 参考文献: 1.刘光祜、饶妮妮 《模拟电路基础》 电子科技大学出版社 2.华成英、童诗白 《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 3.闫石 《数字电子技术基础》 高等教育出版社 4.王小海、祁才君、阮秉涛 《集成电子技术基础教程》 高等教育出版社 5.胡汉才 《单片机原理及其接口技术》 清华大学出版社 6.李广弟 《单片机基础》 北京航空航天大学出版社 7.谢自美 《电子线路设计》 华中科技大学出版社 一种精密实用的仪表用恒流源设计 《仪表设计》 ,1996 年第二 8.杨恩江 期 9.尉广军、朱宇虹 几种恒流源电路的设计 《电子与自动化》2000 年第一 期 10.沈建华、杨艳琴 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 清华大 学出版社 11. National Semiconductor The datasheet of LM2596-ADJ 12. Texas Instruments The datasheet of TPS5430、UCC29002、TLC431、 TLC2262

附:
系统框图 单片机处理

DC/DC 模块 1

采样电路

DC/DC 模块 2

反馈


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