2011电子设计竞赛（A题）开关电源模块并联供电系统

满座衣冠胜雪

摘    要
本设计利用单片机产生脉宽可调的PWM信号来分别控制两个PWM斩波式的DC/DC模块，以此来实现对并联DC/DC模块的输出电压及电流的控制。采用精密功率电阻对相关输出支路上的电流、电压进行采集测量，实时反馈单片机的AD口进行采样。单片机根据采样值和一定的电流分配算法计算出对各模块的输出电压和电流调整，实现两个DC/DC模块的并联稳压恒流。通过实验测试，在额定功率下，整个供电系统的效率达到81%，并且模块的输出电流可按指定比例自动调整，电流相对误差不大于2%，具有负载短路保护及自动恢复功能，可以在液晶上实时显示系统工作状态。系统实现了所有基本部分和发挥部分的要求。

1. 系统方案
本系统主要由DC/DC模块、信号采集处理模块、电流调节模块组成，下面分别论证这几个模块方案的选择。

1.1  DC/DC方案的论证与选择
系统要求两个并联的DC/DC模块，输入电压均为24V，输出至8V，所以考虑降压型的DC/DC方案。
方案一：采样集成脉宽调制器如TL494，此种芯片PWM产生较为简单，外围器件较少可以很快搭建起恒压输出电路。但这种方案调整精度不高，要做到恒压和恒流输出较为困难。
方案二：采用单片机来产生PWM而采用PWM斩波电路来实现DC\DC变换，这种软件产生PWM的方案不仅是PWM的产生和调整更加简单而且调整精度很高，还可以通过单片机实现多路模块的平衡控制。
对比以上两种方案方案二更加简单可行，所以本设计采用方案二。

1.2 电压、电流测量方案的论证与选择
要得到恒定的电压，以及符合要求的电流，所以要对电路的输出电压、相关支路电流进行测量以便进行闭环控制。易知电压可采用常用的串联分压方法测得。经分析知可采用以下几种方案测量的电流。
方案一：电流采样芯片。直接采用集成的电流采样芯片，这种电流采样芯片内阻小，电流采样较为精确。但是成本较高，在精度要求不是很高的情况下，不优先考虑此方案。
方案二：串联大功率精密电阻，在其两端进行差分放大，然后送至AD采样。这种方法简单直接，其电流的采集更加接近真实的电流。
综合以上两种方案的分析，选择方案二。

1.3 电流调节算法法及实现方案
方案一：用PWM专用芯片产生PWM控制信号。配合常用的并联均流技术实现电流均流（1:1）控制。其中均流采用模拟的方式，由于方案成熟，有均流精度高，动态响应好及实现冗余技术等特点。但是该方案有控制不灵活，不可调节电流比例的缺点。
方案二：由单片机的PWM口产生占空比可变的PWM信号。通过经典控制算法实现整个系统的恒压闭环控制，同时调节电流按指定比例分配。易于实现，节约硬件成本。
综合考虑采用方案二。

2. 系统理论分析与计算
2.1  开关电源器件参数的分析   
2.1.1开关管的选择
该开关管选用P沟道功率场效应管 IRF9540。IRF9540的UDS = -100V ,RDS = 0.300 Ω, I0= -12A。MOSFET上承受的最大电压为Um ,考虑输出电压 10 %的波动 ,电感的反峰尖刺为稳态值的20 % ,且留有余量 ,MOSFET承受的最大电压为40V ,流经的最大电流为2A ,而且由于其电阻值很小 ,故其功耗也很小。根据上分析 , IRF9530完全可以满足设计要求。

2.1.2  续流二极管的选择
续流二极管应采用快恢复二极管 ,其具有开关特性好、 耐压高、 正向电流大等优点。本设计采用快恢复二极管FR302 ,其耐压值为 100V,正向电流为 10A ,最大恢复时间为100ns ,满足设计要求。

2.2 采样电阻的计算
由于采样电阻是串联在主电路当中，其主电流会流过采样电阻。因其输出电流很大，为了尽量减少其功耗其电阻值应尽量小。根据实际需要本设计在分支电路采用100mΏ±1%的精密电阻，而总线电路采用50mΏ±1%的精密电阻。

2.3 比例电流的控制方法  
本设计的电路要实现对电流的比例控制，这是有一个前提的，那就是输出电压必须稳定，为8V。故此，本设计在调整电流比例的过程中，必须时刻考虑电压的控制。本设计对电流比例的调控方法就是如下调控过程：首先本设计将电压调整到要求的电压8V，然后本设计以其中一个DC-DC分支为基础，不改变驱动它的PWM波占空比；调整另外一个DC-DC分支的PWM占空比，改变它的输出电流。而输出电压在整个过程中保持不变，负载也保持不变，故而输出的总电流不变。本设计通过改变其中一支的电流，另一支的电流就会呈相反变化，最终达到所需要的电流比。

3. 电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示,

图1   系统总体框图

3.1.2 DCDC模块系统框图与电路原理图
本系统采用Buck电路进行DC - DC变换。利用调节开关管的占空比来控制输出电压。开关管关断与开通交替进行 ,电感 L 将交替的存储和释放能量 ,电感L 储能后使电压上升。而电容 C 则将输出电压保持平衡 ,输出输入电压关系为:
Uo = Uin  ton /( ton + toff )
只需要通过改变开关管通断占空比即可得到所需输出电压。

图2   DC/DC变换主电路

由于输出额定功率为36W，所以需要在开关管加驱动电路。本设计选择的是IR2110, IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

图3 MOSE管驱动电路

图4 单片机供电电源

图 5输出滤波电路

图6  液晶显示电路

图7 XS128主控电路

图8  74HC244并行驱动电路

                                                               
3.1.3电流测量子系统电路原理图

图9   电流测量子系统电路

3.2程序的设计
3.2.1算法描述与设计思路
该设计中采用数字 PI 调节器进行电流电压的反馈控制。它是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：
1-5

将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象（PWM波的占空比）进行控制，其控制规律为：
1-6

其中u(t)为 PI 控制器的输出，e(t)为 PI调节器的输入，Kp为比例系数，Ti 为积分时间常数。简单说来，PI控制器各校正环节的作用如下：
比例环节：即成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着Kp值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当Kp增加到一定程度，系统会变得不稳定。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之越强。通常在Kp不变的情况下，Ti越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。

3.2.2 程序功能描述
根据题目要求软件部分主要有稳压、电流比例控制，以及相应的键盘及显示程序。
1）键盘稳压及电流比例控制功能：当负载变化时，保证输出电压始终稳定在8±0.4V,同时调整占空比使电流的之比达到自动或指定分配的比例。
2）键盘及显示部分：通过按键选择系统的工作模式----自动比例分配电流和指定比例分配电流。同时在LCD上显示相应模式的状态电流、电压等参数。
2、程序设计思路

3.2.3程序流程图

主程序流程图

4. 测试方案与测试结果
4.1 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表，滑动变阻器。

4.2 额定输出功率
在额定功率下即每个DC/DC模块均输出电压8.0±0.4V输出功率为16W：

表1        功率、效率测试表

4.3 电流比例测试

表2 电流比测试表

5. 分析与结论
基本上达到了题目的各项要求，特别是在效率方面表现突出。但是由于手工制作的原因，以及开关电源电路本身的限制，纹波难以完全消除，导致电路的测量不够准确，使系统的一些参数不是很理想，但本设计通过采用差模放大电路以及软件滤波，也得到了比较理想的结果。