基于開關電源的并聯供電系統設計

摘要：文章采用單片機SPCE061A為主控芯片，以開關電源芯片TD1507為核心，利用主從均流控制技術實現兩路穩壓電源構成的并聯供電系統。系統可通過高精度運放OP07的動態調節實現自動均流。此外，系統具有負載短路保護及自動恢復功能、負載溫度檢測與散熱功能和液晶實時顯示功能。

關鍵詞：開關電源;主從控制;并聯供電;大功率電源;DC/DC

0 引言

隨著電力電子技術的發展，開關電源的應用領域日益廣泛。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。在大功率開關電源中，通常采用多個單元并聯獲取大電流的方法獲取大功率。

1 系統方案論證

系統采用兩個開關電源單元并聯的方案實現兩路并聯供電系統，兩路模塊的額定功率均為16W，輸出電壓為8V。其框圖如圖1所示。

1.1 DC/DC變換電路方案

方案一：LM2596開關電壓調節器

LM2596開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150KHz，與低頻開關調節器相比較，可以使用較小規格的濾波元件。

方案二：TD1507降壓轉換器

該器件是一個易于使用的可調降壓開關模式穩壓器。它提供了一個可調輸出版本，是驅動負載能力為2.5A輸出電壓在1.23V到34V之間可調的出色線路負載調節器。降壓電路對外部組件數量要求低，穩壓器使用簡單，包括內部頻率補償功能，和固定頻率振蕩器。

方案二外圍電路少，易于控制和實現，穩壓效果好，所以采用該方案。

1.2 電流電壓檢測與過流保護方案

本系統采用直測式霍爾電流傳感器，檢測通過負載的電流，并通過電壓變換電路反饋給單片機，單片機通過A/D轉換判斷電流范圍，從而確定并聯DC/DC模塊的輸出電流比。當檢測到電流信號超過設定安全值時，整個系統被切斷，以達到保證系統安全作用。

霍爾電流傳感器工作原理如圖2所示，原邊電流Ip產生的磁通量聚集在磁路中，并由霍爾器件檢測出霍爾電壓信號，經過放大器放大，該電壓信號可精確地反映原邊電流。通過單片機A/D轉換，與設定值比較后可判斷系統工作模式，并判斷是否過流。

1. 3 均流方案

方案一：斜率法

斜率法是最簡單的一種均流方法，其原理是利用電流反饋信號或者直接輸出串聯電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，從而達到均流。斜率法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。但此方案在小電流時效果較差，隨著負載的增加均流效果會有所改善。該法只適合應用于均流精度大于或等于10%的場合，很難達到5%的均流效果。

方案二：主從均流法

主從法的均流思想是在并聯系統中人為指定一個模塊為主模塊，直接接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因為系統在統一的誤差電壓下調整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負載電流如何變化，各模塊的電流總是相等的。采用這種方法，精度很高，控制結構簡單，模塊問邊線較少，易于擴展為多路。

對于本系統中的兩個電源都采用DC/DC芯片設計，系統的不確定因素少，可靠性高;又主從均流法精確度很高，設計簡單，成本低，所以采用方案二。

如圖3所示，當兩路并聯使用時，電路分為主從兩路，通過電流反饋控制技術實現自動均流。使用精密采樣電阻采樣各路電流，再用高精度低失調電壓的精密運放集成電路OP07進行放大。將主路儀放輸出端送到運放的同向端，從路儀放輸出端送到運放的反向端，運放的輸出端反饋從路反饋腳通過儀放放大，運放比較、反饋實現自動均流。本電路是對各電流進行比較，所以即使負載變化也能實現均流。

2 電路設計

2.1 主電路

系統主控模塊選用凌陽的SPCE061A單片機。它功耗低，超小型，成本低，功能完整，非常適用于便攜式儀表和就地式顯示控制儀表，在國內越來越受到用戶的重視和廣泛應用。在本系統中，充分利用了該單片機的A/D、D/A轉換功能、配套液晶模組并設計了人機交互界面，系統主電路如圖4所示。

2.2 DC/DC轉換電路

本系統中使用了TD系列開關電源芯片TD1507，電路如圖5所示。TD1507可將輸出電壓穩定在1.23V到43V連續可調。本系統中用此模塊將前端電壓轉換為8V穩定電源。兩路中元件應盡量一樣，續流二極管選用低壓降肖特基二極管。

圖中電感計算公式為：

公式中Kind=0.2，Fsw=500KHZ是開關電源的工作頻率。這里電感起儲能作用，電感量不能太小，太小會引起電感的磁飽合;電感量太大時電感上會有很大的銅損和鐵損，波紋峰-峰值計算公式為：

2.3 測控電路

2.3.1 電流電壓檢測及過流保護電路

本系統采用直測式霍爾電流傳感器ACS712檢測通過負載的總電流，并通過電壓變換電路反饋給單片機，單片機通過A/D轉換判斷電流范圍，從而確定并聯 DC/DC模塊的輸出電流比例。當檢測到電流信號超過設定安全閥值時，整個系統將被切斷，以達到保證整個系統安全工作。霍爾元件工作原理圖如圖6所示。

2.3.2 溫度檢測控制電路

充分考慮到大功率負載在工作過程中會產生大量熱量，如不及時散熱，可能影響系統性能甚至導致系統癱瘓。我們設計了溫度檢測與控制電路。及時檢測負載周圍空氣溫度，將溫度信息反饋給單片機處理。當系統過熱時及時散熱保障系統性能。

溫度控制系統由溫度傳感器DS18B20、繼電器和直流風扇組成，如圖7所示。DS18B20接到單片機的一個I/O口上，由于單總線為開漏，所以需外接 10K的上拉電阻。DS18B20收到單片機發送的時序命令就將采樣到的溫度信號發送給單片機處理。當單片機檢測到溫度超過安全值時，與繼電器相連的引腳輸出高電平驅動電磁繼電器使直流風扇通電，開始散熱。

3 軟件流程圖

本系統軟件采用模塊化設計思想，主要有三個模塊：操作模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊。主流程圖如圖8所示。

4 總結

在額定輸出功率狀態下，系統輸出直流電壓穩定在8V±0.4V;兩路電源并聯供電，在各電流比例工作狀態下，每個模塊的輸出電流的相對誤差絕對值小于 5%。在額定輸出功率狀態下，供電系統的效率大于60%。具有負載短路保護及自動恢復功能，保護閥值電流為4.5A。系統具有負載溫度檢測與散熱系統和液晶實時顯示電流、負載溫度、和電流分配模式等功能。