基于TLP250的開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)研究

，

(1.民航重慶空管分局，重慶 401120；2.重慶市防汛抗旱搶險(xiǎn)中心)

引 言

民航氣象自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、天氣雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備等需要大功率、高精度不間斷供電的直流電源系統(tǒng)，單個(gè)開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)不能夠滿足設(shè)備的正常需求[1]。雖然目前很多民航氣象設(shè)備實(shí)現(xiàn)了雙電源供電，但是自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的通信線路中關(guān)鍵通信節(jié)點(diǎn)是單電源供電，比如光端機(jī)、MCU111、光貓等，如果這些設(shè)備發(fā)生電源故障，則跑道一端或一條跑道氣象數(shù)據(jù)無(wú)法正常提供，可能影響飛機(jī)飛行安全和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行。

采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)的技術(shù)，如果一個(gè)模塊故障，另一個(gè)模塊正常供電，等到值班員巡視發(fā)現(xiàn)有故障時(shí)可以及時(shí)更換模塊，不影響跑道氣象數(shù)據(jù)的正常提供。由于每個(gè)模塊的輸出特性不一致，導(dǎo)致了在并聯(lián)工作時(shí)每個(gè)模塊的輸出電流差異很大，輸出電壓調(diào)整率大的模塊往往運(yùn)行在輕載或者是空載狀態(tài)，這就意味著其他模塊總是處于重載工作，長(zhǎng)期下去會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性大打折扣，甚至帶來(lái)可怕的后果[2]。因此在電源模塊并聯(lián)工作時(shí)要盡量減小它們之間輸出電流的差異，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)并制作了以MSP430F2619單片機(jī)為控制核心，單片機(jī)程控PWM，利用場(chǎng)效應(yīng)管斬波，再由電感電容儲(chǔ)能濾波的原理實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源Buck降壓模塊，使用雙相并聯(lián)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)[3]。本供電系統(tǒng)對(duì)輸出電流、電壓進(jìn)行采樣，利用均流算法達(dá)到輸出恒壓和成比例分流的目的。采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)運(yùn)行，如果一個(gè)電源模塊故障，另一個(gè)電源模塊正常輸出供電，短時(shí)間內(nèi)不影響設(shè)備正常運(yùn)行。

1 原理介紹

圖1 供電系統(tǒng)等效模型

系統(tǒng)兩路并聯(lián)DC-DC降壓模塊可抽象為直流等效模型，供電系統(tǒng)等效模型如圖1所示。圖中R1和R2代表兩電源模塊的直流等效電阻，包括場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通阻抗、電感的等效直流阻抗以及焊接線路的阻抗，U0為兩電源模塊輸出直流電壓，負(fù)載電阻R3被兩路共享。系統(tǒng)兩路Buck降壓模塊的參數(shù)及器件選擇均相同，故其直流等效阻抗可近似相等，令R=R1=R2。D1和D2分別為控制兩個(gè)電源模塊的MOSFET管的導(dǎo)通時(shí)間占空比。

由基爾霍夫電流定理可得:

D1Uin=U0+I1R1

D2Uin=U0+I2R2

則

當(dāng)兩路電流成比例(即I1:I2=A)時(shí)，則有

在輸入電壓Uin穩(wěn)定時(shí)，調(diào)整負(fù)載，系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載兩端電壓值和電源輸出電流采樣，先調(diào)整D1和D2使輸出電壓穩(wěn)定，在保持D1和D2輸出值不變的情況下，微調(diào)兩路的PWM波以改變兩路輸出電流之比，調(diào)整電流反饋的同時(shí)加入電壓反饋，在雙環(huán)PID的控制下輸出均流和穩(wěn)定的電壓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司的16位微控制器MSP430F2619構(gòu)成主控制電路，其具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，由DC-DC降壓模塊、反饋模塊、控制系統(tǒng)模塊和電源模塊等組成。MSP430F2619直接產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)光耦隔離、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，利用場(chǎng)效應(yīng)管斬波，再由電感電容儲(chǔ)能濾波的原理實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換。主控制器系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，采用增量式PID控制算法利用電壓反饋和電流反饋信號(hào)去控制PWM波的占空比[4]，從而控制輸出電壓恒定。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制均流，這樣構(gòu)成穩(wěn)定的數(shù)控恒壓和均流，具有實(shí)時(shí)控制過(guò)壓、過(guò)流和短路進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警提示，并在排除故障后自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由并聯(lián)電源、反饋回路、控制部分、保護(hù)電路和供電電路組成。并聯(lián)電源由兩個(gè)同步Buck降壓模塊組成，MSP430F2619直接產(chǎn)生兩路頻率相同相位相反的PWM波，控制兩路Buck電路中MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管交替導(dǎo)通，從而控制輸出電壓恒定；反饋回路主要為兩路電流檢測(cè)電路和輸出電壓采樣電路；控制部分以MSP430F2619為核心，控制ADC進(jìn)行電流和電壓采樣驅(qū)動(dòng)電路和PWM波驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)進(jìn)行LCD顯示和按鍵檢測(cè)；保護(hù)電路對(duì)過(guò)流和短路情況進(jìn)行保護(hù)，并在故障解除后自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)；供電電路為整個(gè)系統(tǒng)供電，保證其正常工作。并聯(lián)供電系統(tǒng)框圖如圖2所示。

運(yùn)用定義4中的直覺(jué)梯形模糊數(shù)的加權(quán)平均算子ITFN-WA，將直覺(jué)梯形模糊決策矩陣的第i行元素加成，得到專家Sk對(duì)裝配式建筑工程N(yùn)i的綜合評(píng)價(jià)直覺(jué)梯形模糊數(shù)運(yùn)用ITFN-WA繼續(xù)對(duì)進(jìn)行加成，得到專家對(duì)工程N(yùn)i的綜合直覺(jué)梯形模糊數(shù)其中，為影響因子權(quán)重向量，為專家權(quán)重向量。

圖2 并聯(lián)供電系統(tǒng)框圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MSP430F2619作為主控制器，其具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，集成了基本時(shí)鐘、I/O接口、12位的8通道ADC、2個(gè)12位的DAC、串口通信、FLASH讀寫(xiě)，內(nèi)存和程序儲(chǔ)存器分別達(dá)到4 KB和120 KB，芯片內(nèi)部資源豐富，為設(shè)計(jì)提供了很好的硬件平臺(tái)，克服了基于8位單片機(jī)系統(tǒng)控制功能不足的弱點(diǎn)。輸入采用獨(dú)立鍵盤(pán)，顯示采用Mzt24-01彩色液晶。Mzt24-01是一塊高畫(huà)質(zhì)的TFT真彩LCD模塊，驅(qū)動(dòng)較為方便、易于擴(kuò)展，內(nèi)置專用驅(qū)動(dòng)和控制IC，并且驅(qū)動(dòng)IC已經(jīng)集成顯示緩存，無(wú)需外部顯示緩存，顯示效果極佳，在功耗方面也滿足設(shè)計(jì)要求。MSP430F2619的外圍電路應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)單，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示，其外圍電路由電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、鍵盤(pán)和液晶組成。

2.3 降壓主電路設(shè)計(jì)

目前經(jīng)典的降壓電源方案有線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源[5]。線性壓降電源具有轉(zhuǎn)換迅速快、紋波小和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換的效率低、體積大、發(fā)熱大；開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)，其相對(duì)于線性電源而言，具有較大的紋波，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)便可控制紋波在允許的范圍內(nèi)[6]。系統(tǒng)采用高速專用光耦驅(qū)動(dòng)芯片TLP520進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該芯片前級(jí)驅(qū)動(dòng)光耦內(nèi)阻足夠小，帶載能力足夠大。開(kāi)關(guān)管選取IRF540N，它的導(dǎo)通電阻為77 MΩ，耐壓值高，能夠降低開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通耗損進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體效率，后接近似無(wú)損耗的LC型低通濾波器，濾除高次諧波使其變?yōu)橹绷鬏敵?。兩路同步Buck降壓主電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖4 降壓主電路設(shè)計(jì)

2.4 電壓電流采樣電路設(shè)計(jì)

采用普通運(yùn)放LM358組成分壓式電路，然后用LM358運(yùn)放做差分放大。電壓檢測(cè)系統(tǒng)電路原理如圖5所示。單片機(jī)自身采集電壓范圍為0～3.3 V，采集電壓范圍為0～24 V。

U=U1×A

其中U為采集電壓，A為差分放大倍數(shù)。

U1=U2÷N

其中U2為電源電壓，N為分壓系數(shù)。取U最大時(shí)為3.3 V，U2最大為24 V，通過(guò)公式計(jì)算，N=7，A=1。

圖5 電壓采樣電路設(shè)計(jì)

采用美信專用電流檢查芯片MAX9920，其具有高輸入共模范圍，可擴(kuò)展至-20～+75 V，而且MAX9920通過(guò)外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)增益設(shè)置。結(jié)合單片機(jī)自身采集電壓范圍為0～3.3 V，設(shè)計(jì)的采集電流范圍為0～4 A。由下式推導(dǎo)：

U=I×R×A

其中U為采集電壓，I為采集電流，R為采樣電阻。U取最大3.3 V，電流取最大4 A時(shí)，R×A為0.825，取差分放大10倍，取樣電阻為0.085 Ω，結(jié)合實(shí)際取0.05 Ω采樣電阻。電流檢測(cè)系統(tǒng)電路如圖6所示。

圖6 電流采樣電路設(shè)計(jì)

2.5 電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

以0.05 Ω為取樣電阻，在把采集的信號(hào)用差分放大，放大后的信號(hào)與提供的基準(zhǔn)源做比較，通過(guò)輸出的高低電平去控制繼電器的導(dǎo)通和截止，從而控制負(fù)載過(guò)流時(shí)切斷負(fù)載電源。負(fù)載電流超過(guò)5 A視為過(guò)流，而LM358運(yùn)放和LM393比較器，供電是單電源+5 V，而單片機(jī)采集電壓小于3.3 V。由下式推導(dǎo)：

U=I×R×A

其中U為取樣放大后的電壓，R為取樣電阻，A為放大倍數(shù)，I為流過(guò)負(fù)載電流。U取最大為3.3 V，I=5 A，經(jīng)過(guò)合理推算R=0.05 Ω，A=14 A。電流保護(hù)電路如圖7所示。

2.6 輔助電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)5 V輔助電壓的需求，采用美國(guó)TI公司的DC/DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換芯片TPS5430。TPS5430是具有5.5～36 V寬輸入電壓范圍，3 A輸出的降壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器，能將輸入電壓降到5 V，外圍電路簡(jiǎn)單，效率高，輔助電源電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要需要實(shí)現(xiàn)電壓電流采樣、PID算法控制、鍵盤(pán)掃描和輸出LCD屏幕顯示幾個(gè)功能。系統(tǒng)首先進(jìn)行各模塊的初始化，當(dāng)確定輸出分流比后，通過(guò)電壓PID調(diào)整得到輸出PWM波的占空比，使降壓電路輸出電壓為額定值，待輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行多次快速電流PID調(diào)整，輸出設(shè)定的電流比，同時(shí)進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)。如果系統(tǒng)的一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軟件中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，判定哪個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則將該模塊從并聯(lián)系統(tǒng)中除去，然后通過(guò)單路電壓電流PID調(diào)整，輸出設(shè)定的電壓電流值。程序流程圖如圖9所示。

圖7 電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖8 輔助電源電路設(shè)計(jì)

圖9 程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器：數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

定比例分流模式的測(cè)試方案，調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓U0=8 V，使兩個(gè)模塊輸出電流IO分別為1 A和1.5 A，其對(duì)應(yīng)電流分配為I1:I2=1:1和I1:I2=1:2。測(cè)量輸出電壓和每個(gè)DC-DC降壓電源模塊的輸出電流。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 輸出定比例分流模式測(cè)試數(shù)據(jù)

輸出電流分流比可調(diào)模式測(cè)試的方案是保持輸出電壓U0=8 V，調(diào)整負(fù)載電流IO在1.5～3.5 A之間變化，設(shè)定兩個(gè)模塊輸出電流在0.5～2 A范圍內(nèi)按指定的比例自動(dòng)分配。測(cè)量輸出電壓和每個(gè)DC-DC降壓電源模塊的輸出電流。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 輸出電流分流比可調(diào)模式測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，可得如下結(jié)論：輸出電流定比例分流模式和可調(diào)分流模式，調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4 V，模塊最大輸出均流誤差為2%。兩個(gè)模塊輸出電流之和IO=3.5 A時(shí)，按I1:I2=4:3模式自動(dòng)分配電流。該系統(tǒng)有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為4A。

結(jié) 語(yǔ)