开关电源模块并联供电系统

1、2011年全国大学生电子设计竞赛开关电源模块并联供电系统【0158组】2011年9月3日摘 要本系统以Buck降压斩波电路为核心的DC-DC变换电路，实现了在额定负载下稳定输出电压的功能。以一款工作于主/从均流控制方式的集成电路为主的均流电路，从而实现了两个DC-DC电源模块输出电流的自动分配。系统输出直流电压8V±0.4V,两个模块输出电流之和分别为I0=1A（ 电流比为I1:I2=1:1）和I0=1.5A（电流比为I1:I2=1:2）时其相对误差绝对值不大于5%。，DC-DC变换器的效率可达到71.5%，输入电压、输出电压和输出电流可以被测量和显示.系统特色：1）两个DC-DC电

2、源模块输出电流的分配，采用主/从均流控制方式的集成电路为主的均流电路，有效提高了均流精度。2）采用安装散热片和风扇等措施，有效降低了功率半导体器件温升，增强了系统的功率转换率。3）反接保护和场效应管欠压保护Switching power supplyThe DC-DC converter circuit with the buck chopper system achieved a stable output at rated load voltage of the function. To work on a master / slave current sharing control of

3、 the integrated circuit-based current sharing circuit, which achieved the two DC-DC power module output current automatically assigned. When system output DC voltage is 8V ± 0.4V, output current of the two modules are I0 = 1A (current ratio I1: I2 = 1:1) and I0= 1.5A (current ratio I1: I2 = 1:2

4、) , which the relative absolute error was less than 5%, DC-DC converter efficiency was 72%, input voltage, output voltage and output current can be measured and displayed.System Features: 1) Two DC-DC power module output current distribution, which the use of master / slave current sharing control o

5、f the integrated circuit-based current sharing circuit, achieved effectively improve the current sharing accuracy. 2) The installation of the heatsink and fan and other measures to reduce the temperature rise of power semiconductor devices, and enhance the system's power conversion rate. 目录一、方案论

6、证与比较1.1 DC-DC主回路方法1.2直流稳压电源并联均流技术二、 系统框图三、 单元电路的分析与实现3.1 Buck降压电路器件的选择及参数计算3.1.1 开关场效应管的选择3.1.2 PWM驱动电路器件的选择3.1.3 二极管的选择3.1.4 电感的参数计算3.1.5 电容的参数计算 3.2 输出滤波电路的设计与参数计算 3.3 并联均流电路器件的选择及参数计算3.3.1 两个电源模块输出电流比例的设计3.3.2 电流检测电阻参数计算3.4 保护电路设计3.4.1 过流保护3.4.2反接保护3.4.3场效应管欠压保护四、 测试与结果分析4.1 测试使用的仪器4.2 测试结果4.2.1

7、额定功率下的输出电压测试 4.2.2 电源效率测试 4.2.3 模块输出电流误差测试 五、结论六、附录一、 方案论证与比较1.1 DC-DC主回路方案一： 间接直流变流电路：结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。图1-1 间接直流变流电路方案二： Buck降压斩波电路：采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性地通断开关，控制开关元件的占空比来稳定输出电压。其基本架构如图1-2所示。电路结构如图1-3所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释

8、放能量。输出电压的变化可以通过改变PWM控制信号的占空比来实现。该电路采取直接直流变流的方式实现降压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。图1-2 Buck降压电路基本架构图图1-3 Buck降压斩波电路综合比较，我们选择方案二。1.2 直流稳压电源并联均流对于现有的均流方法，它们都有各自的优缺点。根据各个并联模块间是否存在互相联系，可以将现有的一些均流方法分为下垂法和有源法。方案一：下垂法下垂法的基本出发点是利用输出电压随输出电流的增加而下降的特性，通过控制和改变输出阻抗，达到均流目的。它是一种最简单的自动均流方法，不需要模块之间的控制线，并且模块化特性好，依靠自己内部的输出阻抗，或者外加

9、的阻抗来保证模块间负载电流的相对均分，具体方案有多种方式，比如：外接电阻，输出电流反馈，变增益方法等。这种方法的主要缺点是，当均流性能要求高时，负载调整率比较差，并且，当模块的电压稳定性要求很高时，均流性能比较差。方案二：有源法有源法一般由两部分组成，即控制方法和均流母线。并联模块先通过不同的均流母线形成方法产生均流母线，然后用一定的控制方法来实现均流，比如，内环调节法、外环调节法、外控制器法等。这些控制方法主要是用来调节各个模块的输出电压，达到均流的目的。采用有源法进行均流时，模块之间的电流误差比较小，均流精度比较高。由于上述的特点，使得有源法多应用于对均流性能要求较高的中大功率场合。鉴于此

10、，选择方案二。二、 系统框图根据以上方案论证与比较，开关电源系统总体框图设计如下。图2-1 开关电源系统总体框图整个开关电源系统是由DC-DC变换器与外控制器构成。DC-DC变换器起着稳压调整作用，外控制器起着并联均流的作用。三、 单元电路的分析与实现3.1 Buck降压电路器件的选择及参数计算开关电源系统中的DC-DC变换器采用Buck降压电路结构，包括PWM驱动电路和Buck降压基本电路，如图3-1所示。(a)(b)图3-1 Buck降压电路(a)PWM驱动电路 （b）Buck降压基本电路3.1.1 开关场效应管的选择选择导通电阻小的IRF540作为开关管，其导通电阻仅为77m（VGS=1

11、0V, ID=17A）。IRF540击穿电压VDSS为55V ，漏极电流最大值为28A（VGS =10 V， 25°C），允许最大管耗PCM可达50W，完全满足电路要求。3.1.2 PWM驱动电路器件的选择PWM驱动电路采用专用驱动芯片UC3842为主芯片。其导通上升时间和关断下降时间分别为1.1us和2.2us，可以实现电力场效应管的高速开通和关断。UC3842还具有欠压保护功能。3.1.3 二极管的选择为了提高效率，采用高速低正相压降的肖特基二极管降低其功耗，因此，选择FR207型肖特基二极管，其导通压降小，恢复时间短为500ns。3.1.4 电感的参数计算1） 电感值公式为：

12、（3-1）其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=73.18kHz，输出电压为8V时，由上式计算取Ls=100H。2） 电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d，则由得d=0.892 mm，工作频率为20kHz，需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。3.1.5 电容的参数计算 PWM振荡频率选择在70KHz左右，选频电阻Rt和电容Ct，决定了振荡频率，由公式fs =1.72/RtCt ，可选取电阻Rt= 10k，电容取Ct =2200pF。3.2 输出滤波电路的设计与参数计算 开关电

13、源的输出高频整流滤波电路中的滤波电容显然是要流过高频纹波电流的（高频纹波的频率与MOS管的开关频率相同，约在70KHz左右），故采用耐高纹波电流的电容器。所谓耐高纹波电流的电容器其实是指低等效电阻ESR以及低等效电感ESL的电容器，以降低损耗所产生的温升、提高滤波效果，降低纹波电压。Buck变换器的滤波电容Cf公式定义为： （3-2）式中：Lf为滤波电感（H）；U0为输出容许纹波电压（V）； fs为开关频率（Hz）；V0为输出电压额定值（V）；D为工作占空比。Lf为100uH，U0取100mV， fs的理论值为1.72/RtCt =73.18KHz， V0为8V，占空比D=8/24=33.3%

14、，带入以上数值可得滤波电容为Cf =12.5f。滤波电容的安装也是值得注意的，因为滤波器的安装技术也是直接影响到滤波效果的。在实际的安装过程中我们将滤波电容正负极直接接在电源输出的正负端子上，获得了较好的滤波效果。3.3 并联均流电路器件的选择及参数计算并联均流电路采用一款用于高、低电位端负载电流检测的均流控制集成电路芯片L6615。该芯片是一款工作于主/从均流控制方式的集成电路，具有完全满足远程输出电压检测、失调电流小、工作电压范围宽等优点。每个参与并联均流控制的L6615都和一个相应的电源单元连接，并且所有L6615都通过均流控制总线连接在一起（均流控制电路结构见系统总体框图2-1）。这种

15、电路结构对提高整个电源系统的工作稳定性、可靠性都很有重要。并联均流电路原理图如图3-2所示。图3-2 并联均流电路原理图3.3.1 两个电源模块输出电流比例的设计(由于时间紧迫，只实现了1:1模式，还从理论上计算了1：2的情况)由于两路电源单元为并联，对其闭环控制回路加以分析，有下式成立： （3-3）(1) 如果两路电源单元和L6615的外围元器件参数一致，则有下式成立： （3-4）(2) 如果两路L6615的外围元器件参数成2:1比例，则有下式成立： （3-5）上述输出电流比例设计有效保证了电源模块的输出电流比例。自动分流则的原理则是电压信号经放大后送给电压比较器输出高低电平控制继电器选择L

16、6615 CGA脚电阻进行分流1:1，1:2模式转换。图3-2 分流模式选择电路原理图3.3.2 电流检测电阻参数计算电流检测电阻参数受到功耗和均流控制精度的共同制约。在满载条件下，检测电压应不大于5%Vcc,因此，电流检测电阻上的电压降一般取值为50mV。因此，电流检测电阻Rsense为0.05，RG取值为典型值200。3.4 保护电路设计3.4.1 过流保护 1）输入过流保护在直流输入端串联一支保险丝（250V，5A），从而实现过流保护。2）输出过流/短路保护 输出端串接电流采样电阻RTEST2，材料选用温漂小的康铜丝，电阻0.22，信号反馈回UC3842的sence脚，该脚在电压超过1V

17、时会自锁，电压降回1V，过流故障解除后，系统将自动恢复正常供电状态。3.4.2反接保护反接保护功能由二极管实现。3.4.3场效应管欠压保护利用IRF540的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，使场效应管严格工作在非饱和区或截止区，防止场效应管进入饱和区而损坏。四、 测试与结果分析4.1 测试使用的仪器（如表4-1所示）表4-1测试使用仪器序 号名称、型号、规格数量备注1BM 8300L 万用表1广州市速为电子科技有限公司2GPS-2303C 稳压直流电源2深圳市新佰特电子有限公司3TDS 1001B 示波器1深圳市强克仪器技术有限公司485型直流电表3沪南电表厂4.2 测试结果4.2.1 额定

18、功率下的输出电压测试 测试线路，如图 4-1所示。 图4-1 输出电压测试连接图测试方法：第1步：将供电电源输出电压调整到24V，作为开关电源的输入，输出电流取最小值，记录最小负载量的输出电压U1；第2步：调节负载为50%满载，记录对应的输出电压U0；第3步：调节负载为满载，记录对应的输出电压U2；第4步：负载调整率按以下公式计算： （4-1）负载调整率测试数据，如表4-2所示。表4-2 负载调整率测试数据负载输出电压负载调整率1007.9V1.3%167.92V1%88.17V2.1%测试结果表明：在输入电压恒定情况下，改变调节负载，使电路经过轻载、50%满载、满载三个状态，将测试所得数据代

19、入负载调整率公式，得出负载调整率小于2.1%，其结果符合电路设计要求。4.2.2 电源效率测试 测试说明：输出功率与输入功率的比值称为电源效率，且其不应低于规定的范围。 测试线路，如图 4-1所示。图4-2 输出电流测试连接图 测试方法：第1步：将供电电源输出电压调整到24V，作为开关电源的输入，输出电流取最小值，记录负载轻载时的输出电压U1；第2步：调节负载为50% R0，记录对应的输出电压U2；第3步：调节负载为R0，记录对应的输出电压U0；第4步：电源效率计算公式如下： （4-2） 式中，Vi为直流稳压电源的输入电压，Ii,rms为输入电流值。电源效率测试数据，如表4-3所示。表4-3

20、电源效率测试数据输入电流负载输出电压效率0.04A100U1=7.9V65.2%0.25A16U2=7.92V65.4%0.49A8U0=8.2V71.5%测试结果表明：在输入电压恒定情况下，改变调节负载，使电路经过轻载、50%满载、满载三个状态，测得输入电流、负载及输出电压的数据，根据式(4-2)得出电源效率在81%86%之间，具有较高的电源转换效率，符合本设计的要求。4.2.3 模块输出电流误差测试 测试说明：输出功率与输入功率的比值称为电源效率，且其不应低于规定的范围。 测试线路，如图 4-2所示，这里不再重复。 测试方法：第1步：将供电电源输出电压调整到24V，作为开关电源的输入，记录两路输出电流值I1， I1。第2步：输出电流的相对误差按以下公式计算： （4-3）电流测试数据，如表4-4所示。