可调电流比例开关电源模块并联供电系统

杨敏 吕霜 欧进发

摘 要： 为了满足大功率负载的供电需求，电源系统往往需要多个开关电源模块并联。由于不同电源模块之间的外特性有差异，直接并联不能保证供电系统正常工作，需要按各模块的输出能力分担电流。为此，采用主从设置法设计一款开关电源模块并联供电系统。设计主要部分是两个DC?DC开关稳压电源模块和电流测控系统。其中，开关电源模块的核心器件为LM2596调节器；集成运算放大器LM358用于电流信号的放大；电压比较器LM393用于比较主模块和从模块的电流值，并将比较结果返回从模块，从而起到控制两路电流比例的作用。当系统的总电流超过设定值时，启动过流保护功能。经过测试，该设计能够很好地实现两路电流比为2∶1，1∶1及其他比例的分配，电流相对误差小于2%，效率达到70%以上。

关键词： 开关电源； 并联运行； 均流； 主从设置法； 可调电流比例； 过流保护

中图分类号： TN86?34； TM13； TM914 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0122?04

A switching power supply module parallel power supply system

with adjustable current ratios

YANG Min， L? Shuang， OU Jinfa

（School of Information Engineering， Wuyi University， Jiangmen 529020， China）

Abstract： Multiple switch power supply modules need to be connected in parallel in the power supply system to meet the power supply demand of high?power load. As there exist differences between the external characteristics of different power supply modules， a direct parallel connection cannot guarantee the normal work of the power supply system， and the current should be distributed according to output capability of each module. Therefore， a power supply system with parallel connection of switching power supply modules is designed by using the master?slave setting method. The main part of the design is composed of two DC?DC switching stabilized voltage power supply modules and the current measurement and control system. The core device of the switching power supply module is LM2596 regulator. The integrated operational amplifier LM358 is used to amplify the current signal. The voltage comparator LM393 is used to compare the current values of the master module and slave module and return the comparison results to the slave module， so as to control the ratios of two currents. When the total current of the system is higher than the set value， the over?current protection function is enabled. The test results show that the design can realize the distribution of 2∶1， 1∶1 and other ratios of two currents， with relative errors of currents lower than 2% and efficiencies over 70%.

Keywords： switching power supply； parallel operation； current sharing； master?slave setting method； adjustable current ratio； over?current protection

如今许多用电设备对电源的要求越来越高，这使得开关电源向大功率和高效率方向发展[1]。受到磁性材料和半导体功率器件本身特性的影响，单个大功率开关电源的制作就受到了限制[2]。此时将多个小功率开关电源进行并联使用以代替单个大功率开关电源的优势渐渐体现出來，多电源并联系统成为开关电源发展方向之一[3?4]。

开关电源并联供电系统是将多个小功率开关电源模块以“积木式”并联组合起来的智能化大功率开关电源系统。其相对于单个大功率电源系统有灵活性高、可靠性高、缩短研发周期、方便实现N+m冗余供电和方便维护等优点[5]。实际应用中，并联电源模块之间外特性不一致，需要按各模块的输出能力分担电流，因此，并联电源系统中很有必要引入分流控制方案[6]。

1 系统设计

本文设计的总体系统框图如图1所示，整个系统由两个DC?DC电源模块（两模块均为额定功率16 W，输出电压8 V）、电流测控电路、单片机控制系统及显示和辅助电源模块等部分组成。并联开关电源供电系统输入为24 V直流电压，输出8 V直流电压，辅助电源给电流测控电路、单片机控制系统和过流保护电路供电。系统采用主从设置法控制各模块电流分配[2，6]。DC?DC电源模块1为主模块，模块2为从模块，两模块并联向负载供电，电流测控电路检测两个模块的电流并进行比较，反馈回从模块，以调节两路电流比例。单片机控制系统采集两路电流值数据并用LCD1602显示出来，内部设置过流保护电流阈值，当电流超过4.5 A时，单片机控制过继电器打开，使并联电源系统与负载断开，从而达到保护电路的目的。

1.1 DC?DC电源模块设计

DC?DC电源模块电路如图2所示。核心器件为LM2596，调节RP2可以调节输出电压。两个电源模块电路相同。R11取值在240 Ω～1.5 kΩ之间，因为过大的阻值会使噪声对电压反馈造成影响[7]，故选择R11值为1 kΩ，精度为1%的电阻。由式（1）可得[7]，若输出电压VOUT=8 V，则RP2=5.5 kΩ。

[RP2=R11VOUTVREF-1] （1）

式中，VREF=1.235 V。

1.2 电流测控电路设计

电流测控电路如图3所示。电路核心器件是一个集成运算放大器LM358和一个电压比较器LM393，LM358為双路运放（运放A，运放B），内部两个运放都分别设计成差分放大电路[8?10]。

在每个开关电源模块的输出端分别都串联阻值为0.1 Ω的采样电阻，为了减小大电流时温度升高产生的温度漂移，将4个0.1 Ω电阻两两串联再并联。每个开关电源模块的电流流经各自的采样电阻，模块1（主模块）采样电阻两端的信号放大后经过由R27，R28和RP15构成分压电阻网络后输入电压比较器LM393同相端，模块2（即从模块）的电流信号放大后直接输入电压比较器的同相端。

电压比较器将比较的结果Vout1反馈回模块2的反馈端（LM2596的4脚），从而对两模块的电流进行控制。当拨码开关全部闭合时，比较器反相端电压为LM358放大后电压，此时，控制电流分配比例是1∶1；当拨码开关14闭合、23打开时，比较器反相端电压为LM358放大后电压的[12]，控制电流分配比例是1∶2；当拨码开关14打开、23闭合时，调节RP15即可调节电流分配比例。

1.3 单片机测控系统

单片机控制系统电路如图4所示。单片机为STC12C5A60S2，利用其自带的A/D转换器采集两个模块的电流信号，用LCD1602进行显示电流值。在单片机程序内设置过流阈值，当两路电流值相加超过4.5 A时，P3.7输出高电平，以控制过流保护电路中的继电器打开，并进行延时；延时结束闭合继电器。

1.4 辅助电源设计

由于电流测控电路需要12 V供电，单片机控制系统需要5 V供电。12 V辅助电源模块仍然使用LM2596作为核心器件用于设计，如图5所示。

5 V电源核心器件为三端集成稳压器LM7805，由12 V辅助电源输入12 V电压，经过LM7805后输出5 V的电压，如图6所示。

1.5 系统软件设计

系统软件设计流程图如图7所示。

2 系统测试

调整负载电阻从1 000～2 Ω，测试并记录系统输出电压UO数据，如表1所示。

由表2可知，总电流1 A支路电流比例1∶1时，每个模块电流相对误差最大为1.19%，小于2%；由表3可知，每个模块电流相对误差为1.2%，小于2%，额定输出功率下，效率最小值为78.36%，远大于70%；由表4可知，总电流4 A支路电流比例1∶1时，每个模块电流相对误差最大值为1%，远小于2%，效率最小值为72.52%。由表5可知，总电流1.5～3.5 A（支路电流范围0.5～2.0 A）任意比例测试，每个模块电流相对误差最大值为1.052%，远小于2%，效率最小值为72.37%。

从上述表格可知，在总电流从1.5～3.5 A变化，支路电流可以按照任意比例调节，不同比例系数情况下，任意模块输出电流误差均小于2%，效率均高于70%。

3 结 论

本文设计了一款开关电源模块并联供电系统，采用主从设置法对电源模块之间的电流进行控制，经过理论分析与实验验证，实现了开关电源并联系统中两个电源模块能够按指定比例进行电流分配的功能和系统过流保护功能。经过测试，两个模块电流在指定比例下相对不超过2%，额定输出功率下系统效率大于70%。

参考文献

[1] 尹洁.基于开关电源技术的电子仪器并联供电系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（9）：115?117.

YIN Jie. Design of electronic instrument parallel power supply system based on switching power supply technology [J]. Automation and instrumentation， 2015（9）： 115?117.

[2] 高玉峰，胡旭杰，陈涛，等.开关电源模块并联均流系统的研究[J].电源技术，2011，35（2）：210?212.

GAO Yufeng， HU Xujie， CHEN Tao， et al. Parallel current?sharing system in blocking switch power supply [J]. Chinese journal of power sources， 2011， 35（2）： 210?212.

[3] 卢付伟，张安堂，朱永水，等.基于单片机的电流比任意可调并联电源设计与实现[J].电子技术应用，2012，38（5）：62?64.

LU Fuwei， ZHANG Antang， ZHU Yongshui， et al. Design and implementation of parallel power supply microcontroller?based and current ratio adjustable [J]. Application of electronic technique， 2012， 38（5）： 62?64.

[4] 曹长春.开关电源并联均流系统的研究[D].天津：河北工业大学，2012.

CAO Changchun. Research on the parallel current?sharing system of switching power supply [D]. Tianjin： Hebei University of Technology， 2012.

[5] 蔡宣三.并联开关电源的均流技术[J].电工电能新技术，1995（3）：12?16.

CAI Xuansan. Load sharing techniques for parallel switching mode power supplies [J]. Advanced technology of electrical engineering and energy， 1995（3）： 12?16.

[6] 郑耀添.并联均流技术在高频开关电源中的应用研究[J].微电子学与计算机，2006，23（6）：169?171.

ZHENG Yaotian. Study of parallel current sharing for high power switch supply [J]. Microelectronics & computer， 2006， 23（6）： 169?171.

[7] Texas Instruments. LM2596 SIMPLE SWITCHER? power converter 150 kHz 3?A step?down voltage regulator [EB/OL]. [2016?05?04]. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf.

[8] 廖惜春.模拟电子技术基础[M].北京：科学出版社，2011：297?299.

LIAO Xichun. Fundamentals of analog electronics [M]. Beijing： Science Press， 2011： 297?299.

[9] Texas Instruments. LM393， LM293， LM193， LM2903 dual differential comparators [EB/OL]. [2017?10?19]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm393.pdf.

[10] Texas Instruments. LM358， LM258， LM158， LM2904 dual operational amplifiers [EB/OL]. [2017?01?07]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm358.pdf.