開(kāi)關(guān)電源34389

1、開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)摘 要本設(shè)計(jì)采用TL494構(gòu)成Buck DC-DC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)變換器。該系統(tǒng)由DC-DC電路、顯示模塊和±12V、5V輔助電源構(gòu)成。DC-DC電路是采用Buck變換對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)24V轉(zhuǎn)8V的控制，并用INA128搭建電路，采用平均電流自動(dòng)均流法實(shí)現(xiàn)兩路的并聯(lián)和均流，平均電流法可以精確的實(shí)現(xiàn)均流，構(gòu)成并聯(lián)供電系統(tǒng)，同時(shí)，系統(tǒng)具有輸出保護(hù)功能，且可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出電壓、電流。關(guān)鍵詞：Buck；DC-DC；并聯(lián)；均流- 9 -1 方案設(shè)計(jì)與論證1.1 DC-DC主電路的設(shè)計(jì)方案一 ：采用SG3525搭建電路，SG3525脈寬調(diào)制型控制器是美國(guó)通用電氣公司的產(chǎn)品，

2、作為SG3524的改進(jìn)型，更適合于運(yùn)用MOS管作為開(kāi)關(guān)器件的DC-DC變換器，它是采用雙級(jí)型工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電路，性能優(yōu)異，所需外圍器件較少。方案二 ：采用TL494構(gòu)建Buck變換器，TL494是一種電壓控制型脈寬調(diào)制控制集成電路，工作頻率可高到300kHz，工作電壓可達(dá)到40V，內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時(shí)間可調(diào)整，主要應(yīng)用于各種開(kāi)關(guān)電源。上述兩種DC-DC主電路的搭建方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，SG3525的外圍電路比較簡(jiǎn)單，但考慮到成本問(wèn)題，在滿足條件的情況下，TL494的成本相較于SG3525更低，故采用方案二1.2 均流方案方案一 ：采用INA128的經(jīng)典電路搭建均流電路，IN

3、A128是低功耗、高精度的通用儀表放大器，用INA128搭建的均流電路并實(shí)現(xiàn)兩路Buck電路的并聯(lián)。方案二 ：采用普通的均流方法，采取獨(dú)立的PWM控制器的各個(gè)模塊，通過(guò)電流采樣反饋到PWM控制器的引腳FB或者引腳COMP，即反饋運(yùn)放的輸入或者輸出腳來(lái)凋節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到均流的目的。由于方案二電流采樣是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：用電阻采樣，損耗比較大，電流放大后畸變比較大；用電流傳感器成本高；用電流互感器采樣不是很方便，也會(huì)使電流失真，而方案一的外圍電路比較簡(jiǎn)單，且成本低，故采用方案一。1.3 輔助電源模塊方案一：輔助電源由UC3845完成控制功能，用于產(chǎn)生+20V，-20V和+8V電壓，再經(jīng)過(guò)以LM31

4、7為核心的雙級(jí)跟蹤式線性穩(wěn)壓電路后得到+15V、-15V和+15V電壓。方案二：輔助電源采用LM2575集成模塊，LM2575的輸入直流電壓范圍為740V，輸出的電壓范圍為1.2337V。由于方案一外圍硬件電路較為復(fù)雜，而方案二易于控制，便于實(shí)現(xiàn)，且方案二的轉(zhuǎn)換效率很高，能達(dá)到題目要求的精度，故選擇方案二。2 理論分析與硬件電路圖2.1 DC-DC主電路的設(shè)計(jì)2.1.1 原理分析Buck電路是一種降壓斬波器，Buck變換器的主電路如圖2-1，在圖2-1中，為輸入電壓、S為PWM波控制的開(kāi)關(guān)管、D為續(xù)流二極管、C為輸出濾波電容、為負(fù)載電阻，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，二極管D截至，輸入電源通過(guò)電感L向負(fù)載

5、提供電能，同時(shí)流過(guò)電感的電流線性增加，將電能轉(zhuǎn)換成磁能儲(chǔ)存在電感中，當(dāng)電感電流增加到大于后，電容進(jìn)入充電狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，二極管導(dǎo)通續(xù)流，流過(guò)電感的電流線性減小，在減小到后，電容進(jìn)入放電狀態(tài)，向負(fù)載供電，以維持輸出電壓穩(wěn)壓。圖2-1 Buck電路2.2 控制電路模塊2.2.1 原理分析用TL494構(gòu)成的Buck開(kāi)關(guān)變換器，TL494由于電路中開(kāi)關(guān)管的原因，芯片采用單端輸出方式，輸出方式控制端13腳接低電平，兩個(gè)輸出晶體管的發(fā)射極并聯(lián)接地，集電極的輸出端C1、C2并聯(lián)輸出驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管；TL494內(nèi)部的誤差放大器極其外圍元件構(gòu)成電壓控制模式的調(diào)節(jié)器，其反向輸入端2腳通過(guò)R接到基準(zhǔn)電壓端，同相端

6、1腳通過(guò)電阻直接接到輸出端（反饋輸出電壓），、和構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；5、6腳所接的電容和電阻用來(lái)設(shè)定芯片的振蕩頻率。2.2.2 電路原理圖TL494是一種電壓控制型脈寬調(diào)制控制集成電路，工作頻率可高到300kHz,工作電壓可達(dá)到40V，內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，主要應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源中，TL494的主要特征如下： 集成了全部的脈寬調(diào)制電路。 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)。 內(nèi)置誤差放大器。 內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)電流。 推或拉兩種輸出方式。由TL494構(gòu)成的Buck變換電路能有效的達(dá)到設(shè)計(jì)要求，TL494的振蕩頻率可通過(guò)外接電阻和電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，振蕩

7、頻率的計(jì)算公式為: (2.1)正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)變換器的輸出電壓為5V，當(dāng)某種原因?qū)е螺敵鲭妷河猩叩内厔?shì)時(shí)，則電壓誤差放大器的同相端的電壓升高，其輸出電壓增大，將使PWM比較器的高電平輸出脈沖寬度增加，芯片輸出腳8、11腳的高電平脈沖寬度也增加，功率開(kāi)關(guān)管的道通比減小，輸出電壓將下降，最終使輸出電壓維持穩(wěn)定。電路如圖2-2所示：圖2-2 DC-DC主電路圖2.3 輔助電源模塊2.3.1 原理分析系統(tǒng)輔助電源在設(shè)計(jì)上采用LM2575集成模塊。LM2575的輸入直流電壓范圍為740V，輸出電壓范圍為1.2337V，而且其轉(zhuǎn)換效率很高。2.3.2 電路原理圖輔助電源電路采用兩路供電，一路輸出5V，另

8、一路輸出15V，兩路同時(shí)工作，對(duì)主電路進(jìn)行供電，電路如圖2-3所示圖2-3 輔助電源電路2.4 均流模塊2.4.1 原理分析在均流模塊中，我們采用了平均電流自動(dòng)均流法，平均電流自動(dòng)均流法中各并聯(lián)模塊單元的輸出與均流母線的連接關(guān)系如圖2-4所示，各并聯(lián)模塊單元的電流放大器輸出通過(guò)一相同的電阻值連接到均流母線，均流母線上的電壓反映了所有模塊電流的平均值（即代表電源系統(tǒng)的平均電流）。圖2-4 平均電流均流法各并聯(lián)模塊單元與均流母線的連接關(guān)系平均電流自動(dòng)均流法控制電路如圖2-5所示，圖中為基準(zhǔn)電壓，電流放大器的輸入信號(hào)，與模塊的輸出電流成比例；為均流母線上的電壓。和經(jīng)均流放大器比較產(chǎn)生后，產(chǎn)生的均流控

9、制電壓；參考電壓和進(jìn)行綜合后形成電壓誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，和進(jìn)行比較放大后，產(chǎn)生誤差放大電壓來(lái)控制PWM控制器。功率級(jí)的開(kāi)關(guān)管按照PWM信號(hào)的開(kāi)通與關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)輸出電流，使得各模塊的輸出電流接近相等，達(dá)到均流的目的。均流母線負(fù)載電流PWM控制功率級(jí)b電流放大器Ra圖2-5 平均電流自動(dòng)均流法控制電路2.4.1 電路原理圖平均電流均流法的單路模塊如圖2-6所示，兩個(gè)模塊電路通過(guò)圖2-4的關(guān)系并聯(lián)在一起，母線的電壓是兩個(gè)分模塊的電壓的平均值，也代表了模塊1、模塊2的平均電流值，然后通過(guò)均流控制電路對(duì)開(kāi)關(guān)變換器的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到相等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的均流。圖2-6 均流電路2.5 過(guò)流保護(hù)

10、模塊分析逐波過(guò)流保護(hù)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，過(guò)流時(shí)強(qiáng)行關(guān)斷，防止場(chǎng)效應(yīng)管燒壞，保護(hù)電路如圖2-7所示：圖2-7 過(guò)流保護(hù)電路2.6 效率分析與計(jì)算本系統(tǒng)要求電源的整體哦效率達(dá)到60%,電源的額定功率為P=UI，電路的損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗，開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)，通態(tài)損耗為，續(xù)流二極管損耗為，此設(shè)計(jì)中選擇的功率MOSFET型號(hào)為IRF9540，導(dǎo)通內(nèi)阻非常低，續(xù)流二極管選擇肖特基二極管MBR20100，導(dǎo)通電壓為0.7V，使用采樣電阻對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣時(shí)，采樣電阻的損耗為，此設(shè)計(jì)中使用0.1的采樣電阻，額定輸出時(shí)的損耗不算太大，測(cè)量控制電路的損耗跟元件的工作電壓有關(guān)，信號(hào)放大用

11、的LM358高增益的雙運(yùn)算放大器，單片機(jī)采用的是MSP430，MSP430是德州儀器推出的16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令的混合信號(hào)處理器，功耗很小。3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析3.1 測(cè)試儀器表3-1 測(cè)試儀器表序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1數(shù)字萬(wàn)用表DT920542直流穩(wěn)壓電源MPS-3005LP-313.2 測(cè)試數(shù)據(jù)3.2.1 測(cè)試方法保持輸入電壓為24V，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器保持Buck變換電路的輸出為8V，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載改變電路電流。Uin3.2.2 電流I1:I2=1:1時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)表3-2 測(cè)試電壓輸出數(shù)據(jù)測(cè)試次數(shù)測(cè)試參數(shù)12345Uin（V）242423.923.923.9Uo（V）87.97.97.9

12、7.8Io（A）0.30.561.221.341.50I1（A）0.140.270.600.680.73I2（A）0.150.290.620.660.763.2.3 電流I1:I2=1:2時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)表3-3 輸出電流測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試次數(shù)測(cè)試參數(shù)12345Uin（V）24242423.923.9Uo（V）87.97.97.97.8Io（A）0.0740.1080.1670.330.753I1（A）0.0640.0680.0770.220.503I2（A）0.030.040.090.110.253.2.4 效率分析額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率為： （3.1）3.2.5 測(cè)試結(jié)果分析從測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出，此設(shè)計(jì)較好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了很好的穩(wěn)壓效果，電壓的調(diào)節(jié)響應(yīng)也快，基本達(dá)到了題目基本部分的指標(biāo)： 系統(tǒng)的輸出電壓：UO=8.0。 系統(tǒng)的供電效率不低于60%。 在保持輸出電壓為8V±0.4V時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流之和分別為IO =1.0A和IO =1.5A 且按I1:I2=1:1和I1:I2= 1:2模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%。4 結(jié)束語(yǔ)本次實(shí)驗(yàn)充分體會(huì)到可靠性是是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)一個(gè)重要的因素，而TL494是一種功能非常完善的PWM驅(qū)動(dòng)電路的芯片,適用于多數(shù)電路，性能穩(wěn)定，可靠性高，具有很大現(xiàn)實(shí)意義，而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，盡量使用了