开关电源模块并联供电系统的研究

薛佩姣， 吕 燕， 张洪洋

上海电气集团股份有限公司中央研究院 上海 200070

开关电源模块并联供电系统的研究

薛佩姣， 吕 燕， 张洪洋

上海电气集团股份有限公司中央研究院 上海 200070

以C8051F410型单片机最小系统为控制核心，采用半桥全波式DC/DC变换电路，基于TL494芯片调制脉宽，设计了一套开关电源模块并联供电系统。通过关键性能指标测试，确认该系统输出电压稳定，输出电流可按任意设定比例分配，供电效率、短路保护阈值电流、最大纹波电压等参数均良好。

开关电源； 并联供电； 设计

随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于各行各业，各种电子装置对电源的要求也越来越高。开关电源具有功耗小、效率高(可达70%～95%)、体积小、稳压范围宽、不需要大容量滤波电容等优点[1]，已逐渐取代线性电源。受构成电源模块器件性能的影响，单一开关电源模块已无法满足负载功率的要求，因此需要开发一套多台开关电源并联供电系统。

许多学者在此领域进行了相关技术的研究。张维[2]基于当前流行的单片集成开关电源芯片设计了一款三路输出小功率单端隔离式反激开关电源，性能良好，但电源效率仍有待提高。谢福波[3]设计了一种开关电源脉宽调制(PWM)的控制芯片，经仿真验证达到预期结果，但尚未应用于实际。赵庆苓[4]基于UC3842高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，设计了一种开关电源保护电路，但在实际应用中需选用几种保护电路组合的方式构成完善的保护系统。

根据以上研究，对DC/DC变换电路、脉冲控制单元和单片机的类型进行比较，并分析了DC/DC变压器的稳压、双模块均流及过流保护方法，从而设计了一套输出电压稳定、输出电流可按任意比例分配的开关电源并联供电系统。

1 方案选择

1.1 DC/DC变换电路程式的选择

DC/DC变换器可将固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称直流斩波。电路的具体程式有以下几种。

(1) 单端正激式。单端正激变换电路既无直通的危险，又没有变压器偏磁、磁饱和问题，可靠性高。但其功率变换器磁心利用率低，效率较低，一般适用于小功率电路。

(2) 单端反激式。单端反激电路原理简单，控制方便，但在输出功率相同的情况下，功率管通过的电流大，导通压降大，损耗也大，因此效率和可靠性较低。

(3) 半桥全波式。半桥全波式电路的效率较高，适用于中大功率的场合。

(4) 全桥式。全桥式电路的功率最大，效率较低，但直通现象和变压器单向偏磁问题会影响电路的性能和效率。

考虑到效率问题，采用第3种方案。

1.2 脉宽控制单元的选择

方案一： 采用TL494型芯片调制脉宽。TL494内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、误差放大器、脉宽调制比较器及输出电路等组成，内部基准电压可由用户任意设定，便于单片机控制。同时，该芯片的15、16引脚与外接电阻构成反向比例运算放大电路，可起到限流保护的作用。

方案二： 采用UC3842型芯片调制脉宽。UC3842芯片的内部基准电压为2.5V，且固定不变，因此用户无法自行设定，不便于单片机控制。

鉴于以上分析，采用方案一。

1.3 单片机的选择

方案一： 采用AT89S52型单片机。该单片机使用方便，但内部没有模数采样模块，无法对模块实现PWM控制，且输出端带负载能力差。

方案二： 采用PIC16F72型单片机。该单片机运行速度快，功耗低，驱动能力强，但仅有1个可实现捕捉、比较、PWM的模块，无法实现两个模块的PWM控制。

方案三： 采用C8051F410型单片机。该单片机指令执行速度快，内部具有12位模数和数模采样模块，转换精度高，并有6个捕捉、比较、PWM模块，足以实现对两个模块的PWM控制[5]。

系统中要求对两个独立模块进行PWM控制，因此采用方案三。

2 系统硬件设计

经以上分析，设计系统的硬件总体框图如图1所示，主要包括主回路、中央处理器(CPU)、信号处理电路、脉宽控制电路和输入设定输出显示电路。

图1 供电系统总体硬件框图

2.1 主回路

半桥式供电主回路如图2所示，包括半桥逆变电路、全波整流电路、滤波电路及电流电压检测电路。图中Q3、Q4、C10、C11、R9、R10组成半桥逆变电路，R9、R10起均压作用。D3、D4及变压器组成输出全波整流电路。R7、R8、C13、C14组成RC吸收电路并联在D3、D4两端，用于抑制整流二极管两端的过电压[6]。L2、C15组成LC滤波电路，L2使电流波形变得平滑，C15起稳压作用，滤除高频成分，且使输出电压进一步平滑，提高带负载能力。通过R11的电压，检测输出电流，从而进行电压采样。通过R14间接得到输出电压，可检测电压。

图2 供电系统主回路

2.2 CPU及信号处理电路

系统回路控制部分采用C8051F410型8位单片机进行控制,如图3所示。C8051F410具有1个12位模数转换器和2个12位数模转换器，转换精度高，另有2304Byte随机存储器(RAM)、24个输入输出引脚、4个16位通用定时器(计数器)、2个16位PWM模块。单片机的P0.0脚为PWM模块信号输出脚，输出信号经过简单的有源二阶低通滤波电路，再经过分压电路后与TL494的2脚相接。系统主回路中检测到的电压、电流及温度经稳压、滤波、放大、电压跟随后反馈回单片机，以调节脉冲宽度，从而使电压、电流、温度稳定。图3中ICL7660型芯片的作用是将输入的电平反转，可将+5V反转为-5V，为运放供电。

图3 C8051F410型单片机信号处理电路

2.3 脉宽控制电路

系统对脉宽调制采用电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494型芯片，其内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、误差放大器、脉宽调制比较器及输出电路等组成。

采用TL494型芯片构成的脉宽控制电路如图4所示。Q1至Q4构成了H桥驱动电路，为正确驱动H桥驱动电路，采用TL494的13脚与14脚相接的推挽输出方式[7]。闭环反馈信号和回路控制直流电压分别接1脚、2脚，通过TL494的误差放大器，即1脚和2脚进行比较放大，进而控制脉冲宽度。9脚和10脚信号正比于脉冲宽度，交替输出来驱动H桥驱动电路，使Q1、Q4导通时Q2、Q3截止，Q1、Q4截止时Q2、Q3导通，从而通过变压器实现驱动半桥功率变换器的功能。

图4 脉宽控制电路

H桥驱动电路工作时的电流流向如图5、图6所示。

图5 Q1、Q4导通时电流流向

图6 Q2、Q3导通时电流流向

3 系统软件设计

系统软件是基于开发平台的汇编程序软件，具有友好的人机界面。系统软件设计主要包括输入显示模块、单片机PWM模块、模数转换模块三部分，开发过程中按模块化设计思想[8]，划分模块进行设计和相应的调试工作，不仅可以分工协作，而且有利于整机系统的调试与修改。

3.1 输入和显示模块

输入模块： 键扫描由TM1688自动完成，完成一次键扫描需要2个显示周期，一个显示周期大约为8×500μs。系统的键盘一共有16个键，具有开始、设定、切换等功能。单片机先发出读键命令，开始读取按键数据BYTE0至BYTE4字节，数据从低位开始输出[9]。TM1668最多可以读5Byte，不允许多读,读取字节只能按顺序从BYTE0至BYTE4，不可以跨字节读取。

显示模块： 寄存器从外部器件传送至TM1668的数据，地址从00H至0DH共14Byte单元，分别与芯片SEG和GIRD管脚所接的发光二极管(LED)对应。LED采用共阴极数码管显示，显示流程如图7所示。

图7 显示程序流程图

3.2 单片机PWM模块

系统中采用单片机PWM模块实现回路控制信号的输出。C8051F410型单片机的定时器有捕捉、比较和PWM三种工作模式，在使用时必须先进行相应设置，定时器用于PWM工作模式的初始化流程如图8所示。

图8 PWM初始化流程图

3.3 单片机模数转换模块

模拟量采集是数字系统必不可少的组成部分，本系统采用C8051F410自带的模数转换模块对闭环反馈信号进行采集和数字处理。C8051F410的模数转换模块可配置到任意端口，使用4个完整的专用寄存器，分别用于两模块输出电流、输出电压、温度信号的转换。

4 性能测试

考察系统的输出电压/电流稳定性、效率、短路保护阈值电流等性能参数。

4.1 额定输出时的系统效率

调整负载电阻至额定输出功率状态，此时2个DC/DC模块输出电流均为2A，其余测试值见表1。

表1 额定输出功率下的测试值

项目测量值1测量值2测量值3Uo/V7.927.887.90Io/A4.024.044.05IIN/A1.831.841.85η72.5%72.1%72.1%

由表1可知，两模块为额定输出时，效率最低为72.1%，高于一般开关电源。

4.2 系统输出电压/电流稳定性

(1) 调整负载电阻，保持输出电压Uo=8.0V，使两模块输出电流之和Io=1.0A，且按I1∶I2=1∶1分配，测试结果见表2。

表2 第一组系统输出电压/电流稳定性测试值

项目测量值1测量值2测量值3Uo/V8.078.078.07I1/A0.520.490.49I2/A0.480.520.52δ14%2%2%δ24%4%4%

由表2可知，输出电压稳定在8.07V，相对误差小于1%，模块1和模块2输出电流的误差小于5%。

(2) 调整负载电阻，保持输出电压Uo=8.0V，使两模块输出电流之和Io=1.5A，且按I1∶I2=1∶2分配，测试结果见表3。

表3 第二组系统输出电压/电流稳定性测试值

项目测量值1测量值2测量值3Uo/V8.048.048.06I1/A0.520.520.52I2/A1.010.990.99δ14%4%4%δ21%1%1%

由表3可知,输出电压从8.04V变化到8.06V，相对误差小于1%，模块1和模块2输出电流的误差小于5%。

4.3 其它参数

(1) 短路保护阈值电流。要求系统具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A。经测试，系统加入限流保护后，两DC/DC模块的最大输出电流分别为2.2A和2.3A,则负载电流最大为4.5A，未超过规定的阈值电流。

(2) 最大纹波电压。调整负载电阻，使两模块输出电流之和为Io=4.0A，且按I1∶I2=1∶1分配，用示波器测出输出电压波形，可以得到最大纹波电压仅为 40mV，符合设计规范小于 50mV 的要求，干扰较小。

5 结论

笔者设计了一套开关电源并联供电系统，该系统由两套并联输出的DC/DC模块组成，DC/DC模块由主回路、信号处理电路和脉宽控制电路等组成。通过C8051F410型单片机控制，保证输出电压稳定，输出电流可按任意指定比例分配，从而向负载供电。经测试，本供电系统输出电压稳定，效率可达72.1%，最大纹波电压仅为40mV,电压调整率为0.2%,负载调整率为-0.05%,散热性能好，具有温度保护功能，是理想的供电系统。

[1] 印叶婷.开关电源的交流和时域仿真研究[J].机械制造，2012,50(9)： 38-40.

[2] 张维.单端反激式开关电源研究与设计[D].西安： 西安电子科技大学，2011.

[3] 谢福波.开关电源PWM控制器芯片设计[D].杭州： 浙江大学，2006.

[4] 赵庆苓.基于UC3842开关电源保护电路的设计[J].科技信息，2010(23)： 36，420.

[5] 顾大雄,高同跃,沈春涛，等.基于MEMS传感器的微小型三维电子罗盘设计[J].机械制造,2011，49(4)： 40-43.

[6] 清华大学电子学教研组.模拟电子技术基础[M].4版.北京： 高等教育出版社，2006.

[7] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京： 机械工业出版社，2011.

[8] 谭浩强.C程序设计[M].3版.北京： 清华大学出版社，2005.

[9] 丁元杰.单片微机原理及应用[M].北京： 机械工业出版社，2005.

A parallel operation system with switching power supply modules was designed by taking the minimum system of C8051F410 microcontroller as the core for control and adopting full-wave half-bridge DC/DC converter and based on TL494 chip for pulse width modulation. By testing its key performance indicators it is found that the output voltage of the system is stable , the output current can be set at any proportional distribution, its supply efficiency, short circuit protection, threshold current and maximum ripple voltage and other parameters are excellent.

Switching Power Supply； Parallel Operation； Design

2016年1月

薛佩姣(1990— )，女，硕士，工程师，主要从事工业机器人研发工作， E-mail： xpcpearl@163.com

TM910.2;TH86

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1674-540X(2016)03-048-06