開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)

1、2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)【0158組】2011年9月3日摘 要本系統(tǒng)以Buck降壓斬波電路為核心的DC-DC變換電路，實(shí)現(xiàn)了在額定負(fù)載下穩(wěn)定輸出電壓的功能。以一款工作于主/從均流控制方式的集成電路為主的均流電路，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)DC-DC電源模塊輸出電流的自動(dòng)分配。系統(tǒng)輸出直流電壓8V±0.4V,兩個(gè)模塊輸出電流之和分別為I0=1A（ 電流比為I1:I2=1:1）和I0=1.5A（電流比為I1:I2=1:2）時(shí)其相對誤差絕對值不大于5%。，DC-DC變換器的效率可達(dá)到71.5%，輸入電壓、輸出電壓和輸出電流可以被測量和顯示.系統(tǒng)特色：1）兩個(gè)DC-DC電

2、源模塊輸出電流的分配，采用主/從均流控制方式的集成電路為主的均流電路，有效提高了均流精度。2）采用安裝散熱片和風(fēng)扇等措施，有效降低了功率半導(dǎo)體器件溫升，增強(qiáng)了系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換率。3）反接保護(hù)和場效應(yīng)管欠壓保護(hù)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. 目錄一、方案論

6、證與比較1.1 DC-DC主回路方法1.2直流穩(wěn)壓電源并聯(lián)均流技術(shù)二、 系統(tǒng)框圖三、 單元電路的分析與實(shí)現(xiàn)3.1 Buck降壓電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算3.1.1 開關(guān)場效應(yīng)管的選擇3.1.2 PWM驅(qū)動(dòng)電路器件的選擇3.1.3 二極管的選擇3.1.4 電感的參數(shù)計(jì)算3.1.5 電容的參數(shù)計(jì)算 3.2 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 3.3 并聯(lián)均流電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算3.3.1 兩個(gè)電源模塊輸出電流比例的設(shè)計(jì)3.3.2 電流檢測電阻參數(shù)計(jì)算3.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.4.1 過流保護(hù)3.4.2反接保護(hù)3.4.3場效應(yīng)管欠壓保護(hù)四、 測試與結(jié)果分析4.1 測試使用的儀器4.2 測試結(jié)果4.2.1

7、額定功率下的輸出電壓測試 4.2.2 電源效率測試 4.2.3 模塊輸出電流誤差測試 五、結(jié)論六、附錄一、 方案論證與比較1.1 DC-DC主回路方案一： 間接直流變流電路：結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，可以實(shí)現(xiàn)輸出端與輸入端的隔離，適合于輸入電壓與輸出電壓之比遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于1的情形，但由于采用多次變換，電路中的損耗較大，效率較低，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖1-1 間接直流變流電路方案二： Buck降壓斬波電路：采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性地通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來穩(wěn)定輸出電壓。其基本架構(gòu)如圖1-2所示。電路結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部PWM信號控制，電感L將交替地存儲和釋

8、放能量。輸出電壓的變化可以通過改變PWM控制信號的占空比來實(shí)現(xiàn)。該電路采取直接直流變流的方式實(shí)現(xiàn)降壓，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，損耗較小，效率較高。圖1-2 Buck降壓電路基本架構(gòu)圖圖1-3 Buck降壓斬波電路綜合比較，我們選擇方案二。1.2 直流穩(wěn)壓電源并聯(lián)均流對于現(xiàn)有的均流方法，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)各個(gè)并聯(lián)模塊間是否存在互相聯(lián)系，可以將現(xiàn)有的一些均流方法分為下垂法和有源法。方案一：下垂法下垂法的基本出發(fā)點(diǎn)是利用輸出電壓隨輸出電流的增加而下降的特性，通過控制和改變輸出阻抗，達(dá)到均流目的。它是一種最簡單的自動(dòng)均流方法，不需要模塊之間的控制線，并且模塊化特性好，依靠自己內(nèi)部的輸出阻抗，或者外加

9、的阻抗來保證模塊間負(fù)載電流的相對均分，具體方案有多種方式，比如：外接電阻，輸出電流反饋，變增益方法等。這種方法的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)均流性能要求高時(shí)，負(fù)載調(diào)整率比較差，并且，當(dāng)模塊的電壓穩(wěn)定性要求很高時(shí)，均流性能比較差。方案二：有源法有源法一般由兩部分組成，即控制方法和均流母線。并聯(lián)模塊先通過不同的均流母線形成方法產(chǎn)生均流母線，然后用一定的控制方法來實(shí)現(xiàn)均流，比如，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)法、外環(huán)調(diào)節(jié)法、外控制器法等。這些控制方法主要是用來調(diào)節(jié)各個(gè)模塊的輸出電壓，達(dá)到均流的目的。采用有源法進(jìn)行均流時(shí)，模塊之間的電流誤差比較小，均流精度比較高。由于上述的特點(diǎn)，使得有源法多應(yīng)用于對均流性能要求較高的中大功率場合。鑒于此

10、，選擇方案二。二、 系統(tǒng)框圖根據(jù)以上方案論證與比較，開關(guān)電源系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)如下。圖2-1 開關(guān)電源系統(tǒng)總體框圖整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)是由DC-DC變換器與外控制器構(gòu)成。DC-DC變換器起著穩(wěn)壓調(diào)整作用，外控制器起著并聯(lián)均流的作用。三、 單元電路的分析與實(shí)現(xiàn)3.1 Buck降壓電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算開關(guān)電源系統(tǒng)中的DC-DC變換器采用Buck降壓電路結(jié)構(gòu)，包括PWM驅(qū)動(dòng)電路和Buck降壓基本電路，如圖3-1所示。(a)(b)圖3-1 Buck降壓電路(a)PWM驅(qū)動(dòng)電路 （b）Buck降壓基本電路3.1.1 開關(guān)場效應(yīng)管的選擇選擇導(dǎo)通電阻小的IRF540作為開關(guān)管，其導(dǎo)通電阻僅為77m（VGS=1

11、0V, ID=17A）。IRF540擊穿電壓VDSS為55V ，漏極電流最大值為28A（VGS =10 V， 25°C），允許最大管耗PCM可達(dá)50W，完全滿足電路要求。3.1.2 PWM驅(qū)動(dòng)電路器件的選擇PWM驅(qū)動(dòng)電路采用專用驅(qū)動(dòng)芯片UC3842為主芯片。其導(dǎo)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間分別為1.1us和2.2us，可以實(shí)現(xiàn)電力場效應(yīng)管的高速開通和關(guān)斷。UC3842還具有欠壓保護(hù)功能。3.1.3 二極管的選擇為了提高效率，采用高速低正相壓降的肖特基二極管降低其功耗，因此，選擇FR207型肖特基二極管，其導(dǎo)通壓降小，恢復(fù)時(shí)間短為500ns。3.1.4 電感的參數(shù)計(jì)算1） 電感值公式為：

12、（3-1）其中，m是脈動(dòng)電流與平均電流之比取為0.25，開關(guān)頻率f=73.18kHz，輸出電壓為8V時(shí)，由上式計(jì)算取Ls=100H。2） 電感線徑的計(jì)算：最大電流IL為2.5A，電流密度J取4 A/mm2，線徑為d，則由得d=0.892 mm，工作頻率為20kHz，需考慮趨膚效應(yīng)，制作中采取多線并繞方式，既不過流使用，又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。3.1.5 電容的參數(shù)計(jì)算 PWM振蕩頻率選擇在70KHz左右，選頻電阻Rt和電容Ct，決定了振蕩頻率，由公式fs =1.72/RtCt ，可選取電阻Rt= 10k，電容取Ct =2200pF。3.2 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 開關(guān)電

13、源的輸出高頻整流濾波電路中的濾波電容顯然是要流過高頻紋波電流的（高頻紋波的頻率與MOS管的開關(guān)頻率相同，約在70KHz左右），故采用耐高紋波電流的電容器。所謂耐高紋波電流的電容器其實(shí)是指低等效電阻ESR以及低等效電感ESL的電容器，以降低損耗所產(chǎn)生的溫升、提高濾波效果，降低紋波電壓。Buck變換器的濾波電容Cf公式定義為： （3-2）式中：Lf為濾波電感（H）；U0為輸出容許紋波電壓（V）； fs為開關(guān)頻率（Hz）；V0為輸出電壓額定值（V）；D為工作占空比。Lf為100uH，U0取100mV， fs的理論值為1.72/RtCt =73.18KHz， V0為8V，占空比D=8/24=33.3%

14、，帶入以上數(shù)值可得濾波電容為Cf =12.5f。濾波電容的安裝也是值得注意的，因?yàn)闉V波器的安裝技術(shù)也是直接影響到濾波效果的。在實(shí)際的安裝過程中我們將濾波電容正負(fù)極直接接在電源輸出的正負(fù)端子上，獲得了較好的濾波效果。3.3 并聯(lián)均流電路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算并聯(lián)均流電路采用一款用于高、低電位端負(fù)載電流檢測的均流控制集成電路芯片L6615。該芯片是一款工作于主/從均流控制方式的集成電路，具有完全滿足遠(yuǎn)程輸出電壓檢測、失調(diào)電流小、工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)參與并聯(lián)均流控制的L6615都和一個(gè)相應(yīng)的電源單元連接，并且所有L6615都通過均流控制總線連接在一起（均流控制電路結(jié)構(gòu)見系統(tǒng)總體框圖2-1）。這種

15、電路結(jié)構(gòu)對提高整個(gè)電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、可靠性都很有重要。并聯(lián)均流電路原理圖如圖3-2所示。圖3-2 并聯(lián)均流電路原理圖3.3.1 兩個(gè)電源模塊輸出電流比例的設(shè)計(jì)(由于時(shí)間緊迫，只實(shí)現(xiàn)了1:1模式，還從理論上計(jì)算了1：2的情況)由于兩路電源單元為并聯(lián)，對其閉環(huán)控制回路加以分析，有下式成立： （3-3）(1) 如果兩路電源單元和L6615的外圍元器件參數(shù)一致，則有下式成立： （3-4）(2) 如果兩路L6615的外圍元器件參數(shù)成2:1比例，則有下式成立： （3-5）上述輸出電流比例設(shè)計(jì)有效保證了電源模塊的輸出電流比例。自動(dòng)分流則的原理則是電壓信號經(jīng)放大后送給電壓比較器輸出高低電平控制繼電器選擇L

16、6615 CGA腳電阻進(jìn)行分流1:1，1:2模式轉(zhuǎn)換。圖3-2 分流模式選擇電路原理圖3.3.2 電流檢測電阻參數(shù)計(jì)算電流檢測電阻參數(shù)受到功耗和均流控制精度的共同制約。在滿載條件下，檢測電壓應(yīng)不大于5%Vcc,因此，電流檢測電阻上的電壓降一般取值為50mV。因此，電流檢測電阻Rsense為0.05，RG取值為典型值200。3.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.4.1 過流保護(hù) 1）輸入過流保護(hù)在直流輸入端串聯(lián)一支保險(xiǎn)絲（250V，5A），從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。2）輸出過流/短路保護(hù) 輸出端串接電流采樣電阻RTEST2，材料選用溫漂小的康銅絲，電阻0.22，信號反饋回UC3842的sence腳，該腳在電壓超過1V

17、時(shí)會自鎖，電壓降回1V，過流故障解除后，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常供電狀態(tài)。3.4.2反接保護(hù)反接保護(hù)功能由二極管實(shí)現(xiàn)。3.4.3場效應(yīng)管欠壓保護(hù)利用IRF540的欠壓保護(hù)功能，對其電源電壓進(jìn)行檢測，使場效應(yīng)管嚴(yán)格工作在非飽和區(qū)或截止區(qū)，防止場效應(yīng)管進(jìn)入飽和區(qū)而損壞。四、 測試與結(jié)果分析4.1 測試使用的儀器（如表4-1所示）表4-1測試使用儀器序 號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1BM 8300L 萬用表1廣州市速為電子科技有限公司2GPS-2303C 穩(wěn)壓直流電源2深圳市新佰特電子有限公司3TDS 1001B 示波器1深圳市強(qiáng)克儀器技術(shù)有限公司485型直流電表3滬南電表廠4.2 測試結(jié)果4.2.1 額定

18、功率下的輸出電壓測試 測試線路，如圖 4-1所示。 圖4-1 輸出電壓測試連接圖測試方法：第1步：將供電電源輸出電壓調(diào)整到24V，作為開關(guān)電源的輸入，輸出電流取最小值，記錄最小負(fù)載量的輸出電壓U1；第2步：調(diào)節(jié)負(fù)載為50%滿載，記錄對應(yīng)的輸出電壓U0；第3步：調(diào)節(jié)負(fù)載為滿載，記錄對應(yīng)的輸出電壓U2；第4步：負(fù)載調(diào)整率按以下公式計(jì)算： （4-1）負(fù)載調(diào)整率測試數(shù)據(jù)，如表4-2所示。表4-2 負(fù)載調(diào)整率測試數(shù)據(jù)負(fù)載輸出電壓負(fù)載調(diào)整率1007.9V1.3%167.92V1%88.17V2.1%測試結(jié)果表明：在輸入電壓恒定情況下，改變調(diào)節(jié)負(fù)載，使電路經(jīng)過輕載、50%滿載、滿載三個(gè)狀態(tài)，將測試所得數(shù)據(jù)代

19、入負(fù)載調(diào)整率公式，得出負(fù)載調(diào)整率小于2.1%，其結(jié)果符合電路設(shè)計(jì)要求。4.2.2 電源效率測試 測試說明：輸出功率與輸入功率的比值稱為電源效率，且其不應(yīng)低于規(guī)定的范圍。 測試線路，如圖 4-1所示。圖4-2 輸出電流測試連接圖 測試方法：第1步：將供電電源輸出電壓調(diào)整到24V，作為開關(guān)電源的輸入，輸出電流取最小值，記錄負(fù)載輕載時(shí)的輸出電壓U1；第2步：調(diào)節(jié)負(fù)載為50% R0，記錄對應(yīng)的輸出電壓U2；第3步：調(diào)節(jié)負(fù)載為R0，記錄對應(yīng)的輸出電壓U0；第4步：電源效率計(jì)算公式如下： （4-2） 式中，Vi為直流穩(wěn)壓電源的輸入電壓，Ii,rms為輸入電流值。電源效率測試數(shù)據(jù)，如表4-3所示。表4-3

20、電源效率測試數(shù)據(jù)輸入電流負(fù)載輸出電壓效率0.04A100U1=7.9V65.2%0.25A16U2=7.92V65.4%0.49A8U0=8.2V71.5%測試結(jié)果表明：在輸入電壓恒定情況下，改變調(diào)節(jié)負(fù)載，使電路經(jīng)過輕載、50%滿載、滿載三個(gè)狀態(tài)，測得輸入電流、負(fù)載及輸出電壓的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(4-2)得出電源效率在81%86%之間，具有較高的電源轉(zhuǎn)換效率，符合本設(shè)計(jì)的要求。4.2.3 模塊輸出電流誤差測試 測試說明：輸出功率與輸入功率的比值稱為電源效率，且其不應(yīng)低于規(guī)定的范圍。 測試線路，如圖 4-2所示，這里不再重復(fù)。 測試方法：第1步：將供電電源輸出電壓調(diào)整到24V，作為開關(guān)電源的輸入，記錄兩路輸出電流值I1， I1。第2步：輸出電流的相對誤差按以下公式計(jì)算： （4-3）電流測試數(shù)據(jù)，如表4-4所示。