開關電源模塊并聯供電系統的研究

薛佩姣， 呂 燕， 張洪洋

上海電氣集團股份有限公司中央研究院 上海 200070

開關電源模塊并聯供電系統的研究

薛佩姣， 呂 燕， 張洪洋

上海電氣集團股份有限公司中央研究院 上海 200070

以C8051F410型單片機最小系統為控制核心，采用半橋全波式DC/DC變換電路，基于TL494芯片調制脈寬，設計了一套開關電源模塊并聯供電系統。通過關鍵性能指標測試，確認該系統輸出電壓穩定，輸出電流可按任意設定比例分配，供電效率、短路保護閾值電流、最大紋波電壓等參數均良好。

開關電源； 并聯供電； 設計

隨著電力電子技術的發展，電源技術被廣泛應用于各行各業，各種電子裝置對電源的要求也越來越高。開關電源具有功耗小、效率高(可達70%～95%)、體積小、穩壓范圍寬、不需要大容量濾波電容等優點[1]，已逐漸取代線性電源。受構成電源模塊器件性能的影響，單一開關電源模塊已無法滿足負載功率的要求，因此需要開發一套多臺開關電源并聯供電系統。

許多學者在此領域進行了相關技術的研究。張維[2]基于當前流行的單片集成開關電源芯片設計了一款三路輸出小功率單端隔離式反激開關電源，性能良好，但電源效率仍有待提高。謝福波[3]設計了一種開關電源脈寬調制(PWM)的控制芯片，經仿真驗證達到預期結果，但尚未應用于實際。趙慶苓[4]基于UC3842高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片，設計了一種開關電源保護電路，但在實際應用中需選用幾種保護電路組合的方式構成完善的保護系統。

根據以上研究，對DC/DC變換電路、脈沖控制單元和單片機的類型進行比較，并分析了DC/DC變壓器的穩壓、雙模塊均流及過流保護方法，從而設計了一套輸出電壓穩定、輸出電流可按任意比例分配的開關電源并聯供電系統。

1 方案選擇

1.1 DC/DC變換電路程式的選擇

DC/DC變換器可將固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，也稱直流斬波。電路的具體程式有以下幾種。

(1) 單端正激式。單端正激變換電路既無直通的危險，又沒有變壓器偏磁、磁飽和問題，可靠性高。但其功率變換器磁心利用率低，效率較低，一般適用于小功率電路。

(2) 單端反激式。單端反激電路原理簡單，控制方便，但在輸出功率相同的情況下，功率管通過的電流大，導通壓降大，損耗也大，因此效率和可靠性較低。

(3) 半橋全波式。半橋全波式電路的效率較高，適用于中大功率的場合。

(4) 全橋式。全橋式電路的功率最大，效率較低，但直通現象和變壓器單向偏磁問題會影響電路的性能和效率。

考慮到效率問題，采用第3種方案。

1.2 脈寬控制單元的選擇

方案一： 采用TL494型芯片調制脈寬。TL494內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、誤差放大器、脈寬調制比較器及輸出電路等組成，內部基準電壓可由用戶任意設定，便于單片機控制。同時，該芯片的15、16引腳與外接電阻構成反向比例運算放大電路，可起到限流保護的作用。

方案二： 采用UC3842型芯片調制脈寬。UC3842芯片的內部基準電壓為2.5V，且固定不變，因此用戶無法自行設定，不便于單片機控制。

鑒于以上分析，采用方案一。

1.3 單片機的選擇

方案一： 采用AT89S52型單片機。該單片機使用方便，但內部沒有模數采樣模塊，無法對模塊實現PWM控制，且輸出端帶負載能力差。

方案二： 采用PIC16F72型單片機。該單片機運行速度快，功耗低，驅動能力強，但僅有1個可實現捕捉、比較、PWM的模塊，無法實現兩個模塊的PWM控制。

方案三： 采用C8051F410型單片機。該單片機指令執行速度快，內部具有12位模數和數模采樣模塊，轉換精度高，并有6個捕捉、比較、PWM模塊，足以實現對兩個模塊的PWM控制[5]。

系統中要求對兩個獨立模塊進行PWM控制，因此采用方案三。

2 系統硬件設計

經以上分析，設計系統的硬件總體框圖如圖1所示，主要包括主回路、中央處理器(CPU)、信號處理電路、脈寬控制電路和輸入設定輸出顯示電路。

圖1 供電系統總體硬件框圖

2.1 主回路

半橋式供電主回路如圖2所示，包括半橋逆變電路、全波整流電路、濾波電路及電流電壓檢測電路。圖中Q3、Q4、C10、C11、R9、R10組成半橋逆變電路，R9、R10起均壓作用。D3、D4及變壓器組成輸出全波整流電路。R7、R8、C13、C14組成RC吸收電路并聯在D3、D4兩端，用于抑制整流二極管兩端的過電壓[6]。L2、C15組成LC濾波電路，L2使電流波形變得平滑，C15起穩壓作用，濾除高頻成分，且使輸出電壓進一步平滑，提高帶負載能力。通過R11的電壓，檢測輸出電流，從而進行電壓采樣。通過R14間接得到輸出電壓，可檢測電壓。

圖2 供電系統主回路

2.2 CPU及信號處理電路

系統回路控制部分采用C8051F410型8位單片機進行控制,如圖3所示。C8051F410具有1個12位模數轉換器和2個12位數模轉換器，轉換精度高，另有2304Byte隨機存儲器(RAM)、24個輸入輸出引腳、4個16位通用定時器(計數器)、2個16位PWM模塊。單片機的P0.0腳為PWM模塊信號輸出腳，輸出信號經過簡單的有源二階低通濾波電路，再經過分壓電路后與TL494的2腳相接。系統主回路中檢測到的電壓、電流及溫度經穩壓、濾波、放大、電壓跟隨后反饋回單片機，以調節脈沖寬度，從而使電壓、電流、溫度穩定。圖3中ICL7660型芯片的作用是將輸入的電平反轉，可將+5V反轉為-5V，為運放供電。

圖3 C8051F410型單片機信號處理電路

2.3 脈寬控制電路

系統對脈寬調制采用電壓驅動型脈寬調制控制集成電路TL494型芯片，其內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、誤差放大器、脈寬調制比較器及輸出電路等組成。

采用TL494型芯片構成的脈寬控制電路如圖4所示。Q1至Q4構成了H橋驅動電路，為正確驅動H橋驅動電路，采用TL494的13腳與14腳相接的推挽輸出方式[7]。閉環反饋信號和回路控制直流電壓分別接1腳、2腳，通過TL494的誤差放大器，即1腳和2腳進行比較放大，進而控制脈沖寬度。9腳和10腳信號正比于脈沖寬度，交替輸出來驅動H橋驅動電路，使Q1、Q4導通時Q2、Q3截止，Q1、Q4截止時Q2、Q3導通，從而通過變壓器實現驅動半橋功率變換器的功能。

圖4 脈寬控制電路

H橋驅動電路工作時的電流流向如圖5、圖6所示。

圖5 Q1、Q4導通時電流流向

圖6 Q2、Q3導通時電流流向

3 系統軟件設計

系統軟件是基于開發平臺的匯編程序軟件，具有友好的人機界面。系統軟件設計主要包括輸入顯示模塊、單片機PWM模塊、模數轉換模塊三部分，開發過程中按模塊化設計思想[8]，劃分模塊進行設計和相應的調試工作，不僅可以分工協作，而且有利于整機系統的調試與修改。

3.1 輸入和顯示模塊

輸入模塊： 鍵掃描由TM1688自動完成，完成一次鍵掃描需要2個顯示周期，一個顯示周期大約為8×500μs。系統的鍵盤一共有16個鍵，具有開始、設定、切換等功能。單片機先發出讀鍵命令，開始讀取按鍵數據BYTE0至BYTE4字節，數據從低位開始輸出[9]。TM1668最多可以讀5Byte，不允許多讀,讀取字節只能按順序從BYTE0至BYTE4，不可以跨字節讀取。

顯示模塊： 寄存器從外部器件傳送至TM1668的數據，地址從00H至0DH共14Byte單元，分別與芯片SEG和GIRD管腳所接的發光二極管(LED)對應。LED采用共陰極數碼管顯示，顯示流程如圖7所示。

圖7 顯示程序流程圖

3.2 單片機PWM模塊

系統中采用單片機PWM模塊實現回路控制信號的輸出。C8051F410型單片機的定時器有捕捉、比較和PWM三種工作模式，在使用時必須先進行相應設置，定時器用于PWM工作模式的初始化流程如圖8所示。

圖8 PWM初始化流程圖

3.3 單片機模數轉換模塊

模擬量采集是數字系統必不可少的組成部分，本系統采用C8051F410自帶的模數轉換模塊對閉環反饋信號進行采集和數字處理。C8051F410的模數轉換模塊可配置到任意端口，使用4個完整的專用寄存器，分別用于兩模塊輸出電流、輸出電壓、溫度信號的轉換。

4 性能測試

考察系統的輸出電壓/電流穩定性、效率、短路保護閾值電流等性能參數。

4.1 額定輸出時的系統效率

調整負載電阻至額定輸出功率狀態，此時2個DC/DC模塊輸出電流均為2A，其余測試值見表1。

表1 額定輸出功率下的測試值

項目測量值1測量值2測量值3Uo/V7.927.887.90Io/A4.024.044.05IIN/A1.831.841.85η72.5%72.1%72.1%

由表1可知，兩模塊為額定輸出時，效率最低為72.1%，高于一般開關電源。

4.2 系統輸出電壓/電流穩定性

(1) 調整負載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0V，使兩模塊輸出電流之和Io=1.0A，且按I1∶I2=1∶1分配，測試結果見表2。

表2 第一組系統輸出電壓/電流穩定性測試值

項目測量值1測量值2測量值3Uo/V8.078.078.07I1/A0.520.490.49I2/A0.480.520.52δ14%2%2%δ24%4%4%

由表2可知，輸出電壓穩定在8.07V，相對誤差小于1%，模塊1和模塊2輸出電流的誤差小于5%。

(2) 調整負載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0V，使兩模塊輸出電流之和Io=1.5A，且按I1∶I2=1∶2分配，測試結果見表3。

表3 第二組系統輸出電壓/電流穩定性測試值

項目測量值1測量值2測量值3Uo/V8.048.048.06I1/A0.520.520.52I2/A1.010.990.99δ14%4%4%δ21%1%1%

由表3可知,輸出電壓從8.04V變化到8.06V，相對誤差小于1%，模塊1和模塊2輸出電流的誤差小于5%。

4.3 其它參數

(1) 短路保護閾值電流。要求系統具有負載短路保護及自動恢復功能，保護閾值電流為4.5A。經測試，系統加入限流保護后，兩DC/DC模塊的最大輸出電流分別為2.2A和2.3A,則負載電流最大為4.5A，未超過規定的閾值電流。

(2) 最大紋波電壓。調整負載電阻，使兩模塊輸出電流之和為Io=4.0A，且按I1∶I2=1∶1分配，用示波器測出輸出電壓波形，可以得到最大紋波電壓僅為 40mV，符合設計規范小于 50mV 的要求，干擾較小。

5 結論

筆者設計了一套開關電源并聯供電系統，該系統由兩套并聯輸出的DC/DC模塊組成，DC/DC模塊由主回路、信號處理電路和脈寬控制電路等組成。通過C8051F410型單片機控制，保證輸出電壓穩定，輸出電流可按任意指定比例分配，從而向負載供電。經測試，本供電系統輸出電壓穩定，效率可達72.1%，最大紋波電壓僅為40mV,電壓調整率為0.2%,負載調整率為-0.05%,散熱性能好，具有溫度保護功能，是理想的供電系統。

[1] 印葉婷.開關電源的交流和時域仿真研究[J].機械制造，2012,50(9)： 38-40.

[2] 張維.單端反激式開關電源研究與設計[D].西安： 西安電子科技大學，2011.

[3] 謝福波.開關電源PWM控制器芯片設計[D].杭州： 浙江大學，2006.

[4] 趙慶苓.基于UC3842開關電源保護電路的設計[J].科技信息，2010(23)： 36，420.

[5] 顧大雄,高同躍,沈春濤，等.基于MEMS傳感器的微小型三維電子羅盤設計[J].機械制造,2011，49(4)： 40-43.

[6] 清華大學電子學教研組.模擬電子技術基礎[M].4版.北京： 高等教育出版社，2006.

[7] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].4版.北京： 機械工業出版社，2011.

[8] 譚浩強.C程序設計[M].3版.北京： 清華大學出版社，2005.

[9] 丁元杰.單片微機原理及應用[M].北京： 機械工業出版社，2005.

A parallel operation system with switching power supply modules was designed by taking the minimum system of C8051F410 microcontroller as the core for control and adopting full-wave half-bridge DC/DC converter and based on TL494 chip for pulse width modulation. By testing its key performance indicators it is found that the output voltage of the system is stable , the output current can be set at any proportional distribution, its supply efficiency, short circuit protection, threshold current and maximum ripple voltage and other parameters are excellent.

Switching Power Supply； Parallel Operation； Design

2016年1月

薛佩姣(1990— )，女，碩士，工程師，主要從事工業機器人研發工作， E-mail： xpcpearl@163.com

TM910.2;TH86

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