一種新型的開關電源并聯(lián)供電技術的研究

吳雪峰，劉教瑜，王晨光

(武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

電源是電力電子設備的核心，其可靠性與性能將直接影響到整個電力設備的性能。但是隨著設備的升級與性能的大幅度提升，其對電源的要求也越來越高，單一的電源供電已經(jīng)無法滿足許多高功率設備的要求了。采用多個低功率輸出電源的并聯(lián)是一種有效的方法[1]，本文基于此提出了一種新型的開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。

開關電源的并聯(lián)不能簡單的將輸出端直接的并聯(lián)。因為兩個電源模塊在各個性能參數(shù)上不可能完全匹配，特別是輸出電壓[2]。如果直接的并聯(lián)，輸出電壓高的將會把輸出電壓低的作為負載，在空載的情況下，這是很不安全的。而且在帶載情況下兩電源的電流輸出也可能不會均等，這在重載情況下可能會出現(xiàn)一方嚴重過載而另一方還未達到額定狀態(tài)的現(xiàn)象[3]。因此保證輸出電壓穩(wěn)定、保證各個電源模塊電流均衡是通過并聯(lián)方式增大電源功率方案的基本要求。

1 并聯(lián)供電的技術分析

1.1 并聯(lián)均流方法

目前成型的多并聯(lián)均流方案有許多種，常用的均流方法有:下垂法、主從設置法、外部控制電路法、平均電流型自動均流法及最大電流自動均流法等[4]。

主從模塊設置法是將所有并聯(lián)的模塊分為主從兩個部分，主控模塊配被一個電壓調節(jié)器，用于調節(jié)各并聯(lián)模塊的輸出電壓值;余下的部分為從模塊部分，它們工作在電流反饋模式下。這種方法能夠及時調整各模塊的輸出特性參數(shù)，限制波動值的大小，均流效果很好。原理圖如圖1所示。

圖1 主從模塊法原理示意圖

圖1中，模塊1為主模塊，模塊2為從模塊(圖1為主從模塊設置法的最簡形式，在一般情況下，主模塊只有1個，但是從模塊可以有多個)。模塊1屬于電壓控制型，模塊2屬于電流控制型。Vr與Vf分別為主模塊的基準電壓與反饋電壓，二者的差值Ve為誤差電壓，Ve與Vi1的比值大小用于控制PWM的脈寬產(chǎn)生輸出電壓，控制驅動器的工作。主模塊的電壓誤差Ve經(jīng)跟隨器輸入從模塊，這樣就保證了主從模塊的調整參數(shù)的一致性，從而實現(xiàn)了均流。

1.2 同步整流技術

目前開關電源的效率越來越高，成熟的集成芯片如LM2576，其開關效率達70%以上。但是在電流較大的場合時，續(xù)流二極管由于正向導通壓降較大，如果輸出電壓較高，損耗將會很大。因此開關電源的輸出電壓均較低。同步整流技術則采用低導通電阻的功率MOS管代替續(xù)流二極管，這樣在保證效率的同時，又進一步的降低了功率。

本文提出的是一種基于主從模塊設置均流法的改進方法，并聯(lián)供電系統(tǒng)采用電壓、電流反饋控制，同時在此基礎上加入控制器，可以設定各個模塊的電流值，以滿足在實際情況下需要人為設定各個模塊負載電流大小的要求。在并聯(lián)供電的各個開關電源模塊中應用同步整流技術，降低開關電源在低壓輸出時續(xù)流二極管上的功率損耗。

2 并聯(lián)均流系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)方案綜述

本設計的系統(tǒng)框圖如下圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)通過PWM控制與驅動芯片TL494驅動N溝道MOS管IRF540N構成BUCK斬波電路進行DC－DC轉換。將外部24 V直流電經(jīng)過DC－DC恒壓模塊轉變?yōu)楹愣? V電壓給負載供電。系統(tǒng)對負載的電壓進行采樣并運用反饋調節(jié)方式控制實現(xiàn)恒定電壓輸出;對流過恒流模塊的電流通過康銅絲采樣電阻和放大電路進行采樣，并通過反饋調節(jié)控制其電流恒流輸出;同時單片機通過A/D模數(shù)轉換采集負載電流，按分流比例計算后通過DA控制從路模塊，從而實現(xiàn)按比例分流。另外系統(tǒng)可以根據(jù)鍵盤的輸入選擇自動調節(jié)電流比例模式或手動調節(jié)電流比例模式，并在液晶上實時顯示輸出的電壓，電流等數(shù)據(jù)。

2.2 硬件設計

DC－DC恒壓模塊電路如圖3所示，本模塊采用BUCK拓撲結構，主要由TL494、IR2110組成。TL494是一款可調 PWM頻率的反饋自動調節(jié)PWM占空比的芯片。TL494電路主要輸出可調占空比的12 V PWM波形，PWM波形的輸出通過CD4069反相器分別接到專用驅動集成電路芯片IR2110的高低輸入口。驅動電路交替驅動導通功率MOSFET，實現(xiàn)DC－DC降壓輸出。并聯(lián)均流的各個開關電源模塊均采用同步整流技術，用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET來取代續(xù)流二極管以降低續(xù)流二極管上的損耗，進一步降低了系統(tǒng)的功率損耗，提高了轉換效率[5－6]。電路圖如圖3、圖4所示。

DC－DC恒流本模塊采用電流跟隨模式，它的基本理和設計參數(shù)基本與DC－DC恒壓模塊一樣。不同是恒壓模塊以自身輸出電壓作為反饋電壓;而在從模塊中，將電流經(jīng)高側電流監(jiān)視器INA168采樣轉換為一定比例的電壓信號連接到反饋段與基準值比較。單片機可以通過DA給定來控制恒流模塊從而得到設定的電流值。電路如圖5所示。電流采樣電路采用專用的高側電流監(jiān)視器INA168， 其 輸入共模電壓可以高達 +60 V，當康銅絲選取 0.1 Ω時，可以測量0－5 A以內的電流，能夠+5 V單電源供電。其電路圖如圖6所示。

圖7 軟件流程圖

2.3 軟件設計

軟件在本系統(tǒng)設計中起到很大作用，軟件設計流程是，先對系統(tǒng)進行初始化，默認設定一個分配比例，之后進入設定界面，設定電流分配比例值和過流保護電流大小，之后進入總運行狀態(tài)，本系統(tǒng)除了提供一般的顯示、按鍵控制功能外，其優(yōu)越點在于加入了軟件PID調節(jié)[7]，與硬件PID調節(jié)相比，軟件PID調節(jié)更加方便，與第一層反饋電路配合，減少了電路復雜度，軟硬兩層反饋回路，提高了系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性。同時系統(tǒng)還通過軟件對輸入單片機的電流信號實現(xiàn)數(shù)字濾波，提高了采樣精度和準確度。程序流程如下圖7。

3 測試結果與總結

3.1 測試方法

測試框圖如圖8所示，通過鍵盤設定電流輸出比例，查看電流表2和表3的值，即能驗證實際輸出電流比例的大小，同時讀取電壓表的值，計算出整個系統(tǒng)的效率。

圖8 測試框圖

3.2 結果分析

測試數(shù)據(jù)如表1

表1 并聯(lián)供電系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

通過測試的結果可以看出，本系統(tǒng)具有該系統(tǒng)具有調整速度快，精度高，電壓調整率，負載調整率，效率高等優(yōu)點，同時具有液晶顯示功能，實現(xiàn)開關電源的并聯(lián)供電。

4 結束語

并聯(lián)運行系統(tǒng)必須引入有效的負載分配控制策略，以防止并聯(lián)系統(tǒng)電流分配超出了各個模塊開關電源負載能力。本文提出了一種新型的基于電壓電流反饋控制的開關電源并聯(lián)供電方法，將同步整流技術應用于各個開關電源模塊，在DC/DC變換器中用用通態(tài)電阻低的專用功率MOSFET來取代續(xù)流二極管。并聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)按設定比例分配電流和在輸出低壓時仍能高效供電的目的，具有一定的實用價值。

[1]馬駿，杜青，羅軍，等.一種開關電源并聯(lián)系統(tǒng)自動均流技術的研究[J].電源技術，2011，35(8):969 －971，973.

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