一种高精度开关电源模块并联供电系统的研究

2015-12-23陈小桥

实验室研究与探索 2015年9期

陈小桥，陈慧，李俊，张令

(武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072)

0 引言

在诸如空间站、基站、计算机服务器等需要大功率、高精度不间断供电的电源系统场合中，单个开关电源已经不能够满足设备的正常供电需求［1-3］。采用多个开关电源并联的技术已成为大功率分布式电源的重要组成部分。本系统设计并制作了一种以ARM 微处理器TM4C123G 为控制核心的高精度开关电源模块并联供电系统，系统以两路同步Buck 降压模块并联为主回路，通过电压电流采样反馈和微处理器的双环PID 调节，保持输出端电压稳定，并可设置两路Buck电路输出电流以任意比例分配。实验结果表明，该系统两路设定比例分配的输出电流相对误差在0.1%之内，输出的电压稳定在0.6%的相对误差内波动，在额定功率时效率可高达90%，具有精度高、稳定性好和效率高的特点。

1 原理介绍

1.1 DC-DC 变换器稳压方法

系统主回路的单路同步降压Buck 电路［1-6］，由TM4C123G 产生两路频率相同相位相反的PWM 波控制单路Buck 电路中的两个MOSFET 管Q1、Q2 交替导通。为了防止两个MOSFET 同时导通造成短路损害电源，必须增加死区时间的设置［7-11］，两路PWM 波形如图1 所示。

图1 单路DC/DC PWM 波控制波形

图中:TS为PWM 波的周期;D1和D2分别为高边Q1 和低边Q2 的导通时间占空比。同理，可适用于另一路Buck 降压电路，设它的高边和低边MOSFET 管的导通时间占空比为D3和D4。由Buck 降压电路原理可得，输出电压Uo与输入电压Ui的关系为

系统两路开关并联模块可抽象为如图2 所示的数学模型。Uo是DC/DC 模块输出直流电压，R1、R2为两路输出直流等效电阻，负载电阻RL被两路共享。由于单路Buck 的两路PWM 波形同频反相且存在死区时间，故D1+D2=C(常数)≠1。

图2 系统数学模型

其中一路Buck 降压电路输出电压为

由基尔霍夫电流定理可得

当两路电流设定比例为I1/I2=n 时，联立Uo=RL(I1+I2)，可得:

由式(5)和(6)可得，在输入电压稳定，死区时间不变的情况下，调整负载，进行输出端电压采样，TM4C123G 通过对采样数据的处理先同时调整两路的PWM 波使输出电压稳定，在保持两路PWM 波输出占空比值不变的情况下，微调两路的PWM 波以改变两路输出电流之比，使系统具有快速瞬态响应和稳定的输出。由于系统两路Buck 模块的等效输出电阻不会完全相同，所以在调节输出电流反馈的同时加入电压反馈，在双环PID 的控制下实现稳压输出。

1.2 均流方法

本系统采用主从均流［12-15］的方法实现两路输出电流按设定比例分配。用户通过键盘设定两路输出电流的比例为n，系统先检测输出电压，当已实现稳压输出时，设一路电流值为I1，则另一路电流值为I2，测量两路输出电流并判断I2/I1=n 是否成立，若不成立，则以I1为参考电流，假设此时两路输出电流已满足一定比例分配，那么另一路输出电流理论值应为nI1，比较其实际与理论的差值可得ΔI2，根据误差值选择合适的PID 调节参数，每次调节占空比后重新检测电压和两路电流值，进入下一次循环，通过这种数字闭环反馈主从控制方法最终实现均流输出。

2 系统硬件设计

图3 系统整体电路框图

2.1 整体设计

系统由并联模块、反馈回路、控制部分、保护电路和辅助电源组成，系统框图如图3 所示。主回路为两个同步Buck 降压模块并联;反馈回路为双路电流采样电路和输出电压采样电路;控制部分以ARM 微处理器TM4C123G 为核心，调控PWM 驱动电路;保护电路对过流和短路情况进行保护，并在故障解除后自动恢复正常工作状态;辅助电源为整个系统的芯片进行供电，保证其正常工作。本系统以微处理器为控制核心，利用双环PID 闭环调节，使输出电压稳定，输出电流比例精确控制，抗干扰性强，效率高。

2.2 单片机最小系统模块

作为本系统的控制核心，ARM 微处理器TM4C123G 具有非常优良的特性。TM4C123G 是美国Texas Instruments 公司生产的高性能、低成本的32 位处理器，带有高效的指令集和特别优化的设计，具有优异的能耗效率和更快的中断处理。本系统利用TM4C123G 高达80 MB 的运行速度，产生20 kHz 的PWM 波，最小调整占空比精度可达2.5 ×10－4，符合IEEE754 的单精度浮点单元将采样电路得到的数据进行处理，从而使PID 调节更加精确有效。

2.3 主电路设计

本设计采用驱动芯片UCC27211 进行驱动，该芯片利用自举电容和自举二极管实现对开关管的驱动。此驱动电路可以提高系统的可靠性，降低开关管的能量损耗并且减少EMI 和EMC。开关管选取IRF540N，它的导通电阻为77 MΩ，耐压值高，能够降低开关管的导通损耗进而提高系统的整体效率。后接LC 低通滤波电路，滤除高次谐波使输出电压稳定。电路图如图4 所示。同理，另一路同步Buck 降压电路结构也如图4 所示。

图4 单路同步Buck 降压电路

2.4 电流电压采样电路

为了提高采样电压电流数据的精确度，本系统采用美国TI 公司生产的24 b 高速AD 转换器ADS1256进行数据采样。该采样芯片内置四阶ΔΣ 转换模块，有8 个采样通道，具有采样精度高、噪声小且反馈速度快的特点。进行电流采样时，利用具有低电阻温度系数、宽使用温度范围、焊接性能良好的康铜丝作为电流检测电阻。进行输出电压采样时，对输出端电压采用分压网络并将分压后的电压通过放大器送入采样芯片输入口。ADS1256 对三个输入端的信号进行循环采样，并将采样数据送给控制器进行处理。电路图如图5 所示。

图5 电压电流采样电路

2.5 辅助电源

根据系统对12V 和5V 辅助电压的需求，采用美国TI 公司的开关稳压芯片TPS54160 和TPS54340。TPS54160 是具有3.5 ～60 V 宽输入电压范围，1.5 A输出的降压转换稳压器，能将输入电压降压为12 V，电路图如图6 所示。该器件内部集成FET，可显著降低能耗，提高系统效率。TPS54340 内置MOSFET，外围电路简单，效率高且内置基准电压，它为系统产生5 V 的辅助电压。

3 系统软件设计

系统首先进行各模块的初始化，然后通过电压PID 调节使Buck 电路输出电压降压为额定值，待输出电压稳定时，进行多次快速电流PID 调节，使从路电流逼近用户设定的主从路电流比，同时进行过流检测及保护，还有键盘扫描和LCD 屏幕显示的设置。系统的程序流程图如图7 所示。

4 结语

本文基于开关电源并联技术在现代大功率电源中发挥的重要作用，设计并制作了一套以ARM 微处理器TM4C123G 为控制核心的高精度开关电源并联模块供电系统。该系统的难点在于DC/DC 模块稳压原理、均流控制以及电路中各种去除噪声和减少耗能的措施。该系统经过仔细调试后取得了良好的效果，额定功率时效率可高达90%，两路设定比例分配的输出电流相对误差在0.1%之内，输出的电压稳定在0.6%的相对误差内波动。本系统具有精度高、稳定可靠和效率高的特点，可满足实用需求。