基于并联双电源按比例对负载供电控制系统的设计

楚雄师范学院物理与电子科学系 吴 东 任 赛 李家旺

1.引言

当今社会，电子技术快速发展，电子产品的应用越来越广泛，许多的电子产品都离不开电源，而对电源的要求也越来越高，电源的研发也是现在人们关注的问题之一。电源输出电流按比例对负载供电控制系统的设计，以DC/DC并联降压电源为基础研究并联的降压模块的电流自动分配问题，该系统能使24V电压通过降压电路输出8V电压，并对负载进行供电，当总电流达到一定条件时，实现电流按预先设定的比例进行自动分配。该系统的具有一定实用性。

2.系统工作原理

并联双电源输出电流按比例对负载供电控制系统原理框图如图1所示，该系统由电源模块、电压采样模块、电压放大模块、电压比较模块等组成。系统由两个DC/DC降压电源对共同对负载进行供电，当负载电流低于1.6A时，系统使两个电源的电流自动按1:1的比例对负载供电；当负载电流超过1.6A时，两个电源模块的电流自动按1:2对负载供电。本系统通过电压进行采样模块对负载电流采样获得随负载电流变化的电压，通过信号放大模块对采样电压进行放大，放大后的采样电压送入电压比较模块与基准电压进行比较，使电压比较器按设定的负载电流（即是否高于1.6A）输出高低电平，利用输出的高低电平控制继电器工作，选择两个电源降压支路，从而实现使电源电流自动据负载电流的变化按设定的比例即：负载电流低于1.6A时，两个电源模块自动按1:1的比例对负载供电；当负载电流超过1.5A时，两个电源的电流自动按1:2对负载供电。

3.电路模块

3.1 电源电路模块及工作原理

电源电路模块原理图如图2所示，LM2596芯片是一种降压型电源集成电路，它输出的驱动电流是3A，具有负载调节特性，该电路的外接元件很少，只需要7个外接元件，极大地简化了降压电路的设计。该电路是通过控制脉宽来达到降压效果。在电路中，我们选择SK36续流二极管来使输出端形成回路。输出电压的计算可由下式给出：

改变分压去路2R或3R的阻值可改变电压的同时，还可以改变两个并联电源对负载供电电流的比例。本系统两个并联电源按预先设定的负载电流，自动改变对负载供电电流的比例是通过对负载电流取样获得的电压处理后产生的高低电平，利用高低电平来控制降压支路中的继电器从而选择2R和3R二者中的一个实现。

3.2 采样及信号放大模块及工作原理

采样和信号放大模块原理图如图3所示，选取一个比较小的电阻对负载支路中的电流进行采样，将采样获取的电压输入到LM358芯片的输入端，通过放大电路对采样电压进行放大，使输出电压达到电压比较电路的要求。

3.3 电压比较模块

电压比较模块原理图如图4所示，将经图2.2采样及信号放大模块放大的电压信号输入LM393芯片的输入端，通过电压比较电路，与参考电压进行比较，输出高低电平信号，经三极管构成的放大电路放大后送去控制继电器工作，实现通过继电器工作来选择电源模块降压支路，以达到电流按比例分配。

4.主要元件介绍

4.1 LM2596芯片

LM2596是一个开关电压调节器，是用来作为降压型电源管理单片集成电路，输出的驱动电流是3A，同时具负载调节特性。可以输出1.2V～37V之间的各种电压。该元件与低频开关调节器相比较，能使用更小规格的滤波元件来滤波。该器件只需7个外接元件，也可以使用通用的标准电感，这就使LM2596的使用效果更加好，极大地简化了电路的设计。

LM2596芯片的主要特色有以下几个方面：它的最大输出电流是3A，而最高输入电压是40V，输出电压有3.3V、5V、12V及（ADJ）几种，它最大输出电压37V，该芯片的震荡频率是LM2596芯片的主要特色有以下几个方面：它的最大输出电流是3A，而最高输入电压是40V，输出电压有3.3V、5V、12V及（ADJ）几种，它最大输出电压37V，该芯片的震荡频率是150KHZ，而转换效率是75%至88%，不同电压输出时的转换效率有所不同，工作温度范围是-40℃至+125℃，它的工作模式是低功耗模式和正常模式，也可以外部进行控制，工作模式控制是TTL电平相容，所需外部组件很少，具有器件保护功能，即热关断及电流限制。它的封装形式有TO-220(T)和TO-263(S)两种。

4.2 LM358芯片

LM358内部有两个高增益、独立的、内部频率补偿的运算放大器，该芯片主要适合于电源电压范围很宽的单电源使用，它也适用于双电源工作模式。该芯片的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的内部频率补偿：直流电压增益高约100dB，单位增益频带宽约为1MHz，电源电压范围宽：单电源为3至30V；双电源为±1.5至±15V，低功耗电流，而且适合于电池供电。

表1 测试仪器表

表2 两个模块并联后电流表

图1 系统原理框图

图2 电源电路模块原理图

图3 LM2596引脚图

图4 电压比较模块原理图

4.3 LM393芯片

电压比较器是对输入信号进行比较的电路，是组成非正弦波发生电路的单元电路。基本上电压比较器就是一个A/D转换器，但这个A/D转换器只有一个比特的输出。电压比较器有两个输入端，当输入端的电压为一定的时候，我们称它为参考电压，另一输入端电压若高于参考电压，输出端就为高电平，输入端电压若低于参考电压-，输出端则为低电平。利用这一特性，电压比较器可以用于监测电压的变化，并可以控制一个电路的开关。常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。当然，电压比较器也可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。我们也可用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系。

4.4 SK36肖特基二极管

在电路中，我们要用到续流二极管，通常一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管就可以了，用来把线圈产生的反向电势通过电流的形式消耗掉，由此可见“续流二极管”并不是一个实质的元件，它只不过在电路中起到的续流作用，经比较，我们选择贴片式SK36肖特基二极管作为续流二极管，续流二极管经常和能够储能元件一起使用，防止电压电流突变，提供通路。续流二极管并联在电感两端使用，电感可以经过续流二极管给负载提供持续的电流，以免负载电流突变。当LM2596内部断开时，不能持续供电的情况下，续流电路可以释放掉线圈中储存的能量，防止感应电压过高。

线圈有电流通过时，会在线圈两端产生感应电动势。当线圈上的电流消失时，线圈上的感应电动势会对电路中的元件产生反向电压。如果反向电压高于元件的反向击穿电压时，会造成元件损坏。当续流二极管并联在线圈两端时，如果流过线圈中的电流消失，线圈产生的感应电动势通过续流二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。从而保护了电路中的其它元件不被损坏。

5.系统测试

5.1 系统测试使用的仪器(如表1)

5.2 系统特性测试

两个模块并联供电测量数据如表2。

6.结论

系统性能达了预期的设计要求，当总电流低于1.7A时，两个并联电源的电流基本达到1:1，在总电流超过1.7A时，两个并联电源模块的电流基本保持1:2。

但该系统还存在一定偏差，系统中的起跳电流是1.7A，只有总电流达到1.7A以上，两个电源的电流才能基本达到1:2，两电源对负载供电电流达到1:2时，调节减小负载，降低总电流，继电器跳回常闭状态，两个并联电源对负载的供电电流返回到1:1的比例的总负载电流不是1.7A，实测值比1.7A低一些。系统的特性还有侍于进一步完善。该系统有一定的实用价值。

[1]王水平.DC/DC变换器集成电路及应用—降压式DCDC变换器[M].西安电子科技大学出版社,2005.

[2]康华光.电子技术基础数字部分(第五版)[M].高等教育出版社,2005.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版)[M].高等教育出版社,2005.

[4]周志敏.开关电源实用技术设计与应用[M].人民邮电出版社,2007.

[5]赵慧,车忱.Protel 99 SE原理图与PCB及仿真[M].机械工业出版社,2004.

[6]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[M].电子工业出版社,2007.

[7]萧家源.电子仪表原理与应用[M].科学出版社,2005.