2011年开关电源模块并联供电系统（A 题）

Pencent

为满足现代电子系统对电源的可靠性、效率和功率密度的要求，常采用多个电源模块并联供电，解决单电源供电时，面对电流应力、热应力及选择价格昂贵的高功率等级的功率开关器件等问题。在电源并联供电系统中，常采用N+m冗余结构，保证系统的高可靠性；另一个关键技术是各模块的电流分配Ⅲ。由于系统中各并联模块特性和参数难以做到完全一致，将会造成模块电流不均，大负载时，输出电流大的模块长期可能工作于重载状态，导致模块故障率提高。因此，在并联供电系统中，需要采取一定的措施来保证每个模块输出电流均衡，保证系统稳定可靠地工作，充分发挥并联电源的优点圆。基于此，本文设计并制作了一个2+1式冗余结构的并联供电系统模型，DC／DC模块的额定功率为16W，两模块的输出电流可按指定的比例自动分配，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5％
1并联供电系统的冗余结构
并联供电系统通常采用N+m冗余结构运行。N+111冗余结构，是指N+t111个电源模块一起给系统供电。这里N表示正常工作时电源模块的个数，m表示冗余模块个数。m值越大，系统工作可靠性越高，但是系统成本也会相应增加。在正常的工作情况下，由N个模块供电。当其中某个或者某些模块发生故障时，它们就退出供电，而由m个模块中的一个或全部顶替，从而保证整个系统工持续性及稳定性。冗余结构常见的有1+l，2+1，3+1等工作方式，比较这三种工作方式，采用2+1这种方式最好，如图1所示。这是因为，l+1方式中有一半的功率被闲置，而3+1方式中使用元器件太多，成本过高，经济性不好



2+1冗余结构的DCyDC变换器并联供电系统
2 DC／DC变换器并联供电模型的建立与分析并联供电系统模型的各供电单元采用DCIDC变换器实现，负载变化时，各模块输出电流可按比例调节。DCIDC模块的输入电压为24V，输出电压为8V，因此DC／DC变换器是降压模块，DC，DC模块并联供电的主电路示意图如图所示


DC／DC主电路示意图

电路的等效电路

忽略直流稳压电路，并将端电压等效为恒值时，DC／DC模块并联供电的主电路等效电路如图3所示。此时，根据基尔霍夫定理有：

可整理得：


由上可知，两模块输出电压的变化值互为相
反数，即模块1输出电压的增大值等于模块2输出电压的减小值，这就保证了负载的恒压供电电流比例调节主要通过改变图1中PWM占空
比来实现，且工作的两个模块的PWM波在同一周期内具有反相的关系，使得负载端在一个周期内总能得到8V的供电电压。


3 DCIDC变换器并联供电模型的硬件设计
3．1 DC／DC变换器的设计
DC／DC变换器的主电路采用降压结构，控制芯片采用单片集成电源芯片LM2596，电路图如图所示




LM2596构成的降压电路

M2596构成的降压式变换器，外围电路简单，输出电流可达3A，同时具有很好的线性和负载调节特性。在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4％的范围内，精度较高，且具有自我保护功能。根据模型输出电压电流的要求，主电路中各元器件的参数选择如下：


所以通过调节R1与R2的比值，可得到8V的输出电压。Rl选用标称电阻1kΩ，精度为1％的电阻，所以R2=5.5kΩ，设计中选用10kΩ的精密电位器。3.2电流采样电路的设计电流采样最简单的设计就是负载回路中串入25mΩ的采样电阻，把采样信号放大2l倍后送入单片机，其采样放大电路如图5所示。此方案的缺陷也比较明显，精度和效率较低。


大采样电路

输出电流的比例控制输出电流的分配采用单片机STCl2C5204AD产生占空比可调的PWM波控制。利用单片机内部的定时器TO，设定为工作方式2，即寄存器TL与TH构成16位计数器。设置初始值，使其实现lOms中断功能，通过中断计时输出PWM波。PWM波不同的占空比取决于采样信号。单片机产生PWM波的示意图，如图所示。