基于TLP250的開關電源模塊并聯供電系統研究

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(1.民航重慶空管分局，重慶 401120；2.重慶市防汛抗旱搶險中心)

引 言

民航氣象自動觀測設備、數據庫服務器、天氣雷達系統設備等需要大功率、高精度不間斷供電的直流電源系統，單個開關電源已經不能夠滿足設備的正常需求[1]。雖然目前很多民航氣象設備實現了雙電源供電，但是自動觀測系統的通信線路中關鍵通信節點是單電源供電，比如光端機、MCU111、光貓等，如果這些設備發生電源故障，則跑道一端或一條跑道氣象數據無法正常提供，可能影響飛機飛行安全和機場運行。

采用多個開關電源模塊并聯的技術，如果一個模塊故障，另一個模塊正常供電，等到值班員巡視發現有故障時可以及時更換模塊，不影響跑道氣象數據的正常提供。由于每個模塊的輸出特性不一致，導致了在并聯工作時每個模塊的輸出電流差異很大，輸出電壓調整率大的模塊往往運行在輕載或者是空載狀態，這就意味著其他模塊總是處于重載工作，長期下去會使整個系統的可靠性、安全性大打折扣，甚至帶來可怕的后果[2]。因此在電源模塊并聯工作時要盡量減小它們之間輸出電流的差異，提高系統的穩定性。

本文設計并制作了以MSP430F2619單片機為控制核心，單片機程控PWM，利用場效應管斬波，再由電感電容儲能濾波的原理實現開關電源Buck降壓模塊，使用雙相并聯控制技術實現了開關電源模塊并聯供電系統[3]。本供電系統對輸出電流、電壓進行采樣，利用均流算法達到輸出恒壓和成比例分流的目的。采用多個電源模塊并聯運行，如果一個電源模塊故障，另一個電源模塊正常輸出供電，短時間內不影響設備正常運行。

1 原理介紹

圖1 供電系統等效模型

系統兩路并聯DC-DC降壓模塊可抽象為直流等效模型，供電系統等效模型如圖1所示。圖中R1和R2代表兩電源模塊的直流等效電阻，包括場效應管的導通阻抗、電感的等效直流阻抗以及焊接線路的阻抗，U0為兩電源模塊輸出直流電壓，負載電阻R3被兩路共享。系統兩路Buck降壓模塊的參數及器件選擇均相同，故其直流等效阻抗可近似相等，令R=R1=R2。D1和D2分別為控制兩個電源模塊的MOSFET管的導通時間占空比。

由基爾霍夫電流定理可得:

D1Uin=U0+I1R1

D2Uin=U0+I2R2

則

當兩路電流成比例(即I1:I2=A)時，則有

在輸入電壓Uin穩定時，調整負載，系統進行負載兩端電壓值和電源輸出電流采樣，先調整D1和D2使輸出電壓穩定，在保持D1和D2輸出值不變的情況下，微調兩路的PWM波以改變兩路輸出電流之比，調整電流反饋的同時加入電壓反饋，在雙環PID的控制下輸出均流和穩定的電壓。

2 系統硬件設計

系統采用TI公司的16位微控制器MSP430F2619構成主控制電路，其具有強大的運算能力，由DC-DC降壓模塊、反饋模塊、控制系統模塊和電源模塊等組成。MSP430F2619直接產生PWM波，經過光耦隔離、場效應管驅動電路，利用場效應管斬波，再由電感電容儲能濾波的原理實現DC-DC轉換。主控制器系統對兩個開關電源模塊的輸出電壓和電流進行采樣，采用增量式PID控制算法利用電壓反饋和電流反饋信號去控制PWM波的占空比[4]，從而控制輸出電壓恒定。實現閉環控制均流，這樣構成穩定的數控恒壓和均流，具有實時控制過壓、過流和短路進行保護和報警提示，并在排除故障后自動恢復正常工作。

2.1 系統框圖

系統由并聯電源、反饋回路、控制部分、保護電路和供電電路組成。并聯電源由兩個同步Buck降壓模塊組成，MSP430F2619直接產生兩路頻率相同相位相反的PWM波，控制兩路Buck電路中MOSFET場效應管交替導通，從而控制輸出電壓恒定；反饋回路主要為兩路電流檢測電路和輸出電壓采樣電路；控制部分以MSP430F2619為核心，控制ADC進行電流和電壓采樣驅動電路和PWM波驅動電路，同時進行LCD顯示和按鍵檢測；保護電路對過流和短路情況進行保護，并在故障解除后自動恢復正常工作狀態；供電電路為整個系統供電，保證其正常工作。并聯供電系統框圖如圖2所示。

運用定義4中的直覺梯形模糊數的加權平均算子ITFN-WA，將直覺梯形模糊決策矩陣的第i行元素加成，得到專家Sk對裝配式建筑工程Ni的綜合評價直覺梯形模糊數運用ITFN-WA繼續對進行加成，得到專家對工程Ni的綜合直覺梯形模糊數其中，為影響因子權重向量，為專家權重向量。

圖2 并聯供電系統框圖

2.2 單片機最小系統電路設計

系統采用MSP430F2619作為主控制器，其具有強大的運算能力，集成了基本時鐘、I/O接口、12位的8通道ADC、2個12位的DAC、串口通信、FLASH讀寫，內存和程序儲存器分別達到4 KB和120 KB，芯片內部資源豐富，為設計提供了很好的硬件平臺，克服了基于8位單片機系統控制功能不足的弱點。輸入采用獨立鍵盤，顯示采用Mzt24-01彩色液晶。Mzt24-01是一塊高畫質的TFT真彩LCD模塊，驅動較為方便、易于擴展，內置專用驅動和控制IC，并且驅動IC已經集成顯示緩存，無需外部顯示緩存，顯示效果極佳，在功耗方面也滿足設計要求。MSP430F2619的外圍電路應該盡可能簡單，單片機最小系統電路設計如圖3所示，其外圍電路由電源電路、晶振電路、復位電路、鍵盤和液晶組成。

2.3 降壓主電路設計

目前經典的降壓電源方案有線性穩壓電源和開關電源[5]。線性壓降電源具有轉換迅速快、紋波小和噪聲低的優點，但轉換的效率低、體積大、發熱大；開關電源具有體積小、重量輕、效率高的優點，其相對于線性電源而言，具有較大的紋波，對電路進行優化設計便可控制紋波在允許的范圍內[6]。系統采用高速專用光耦驅動芯片TLP520進行驅動，該芯片前級驅動光耦內阻足夠小，帶載能力足夠大。開關管選取IRF540N，它的導通電阻為77 MΩ，耐壓值高，能夠降低開關管的導通耗損進而提高系統的整體效率，后接近似無損耗的LC型低通濾波器，濾除高次諧波使其變為直流輸出。兩路同步Buck降壓主電路設計如圖4所示。

圖3 單片機最小系統電路設計

圖4 降壓主電路設計

2.4 電壓電流采樣電路設計

采用普通運放LM358組成分壓式電路，然后用LM358運放做差分放大。電壓檢測系統電路原理如圖5所示。單片機自身采集電壓范圍為0～3.3 V，采集電壓范圍為0～24 V。

U=U1×A

其中U為采集電壓，A為差分放大倍數。

U1=U2÷N

其中U2為電源電壓，N為分壓系數。取U最大時為3.3 V，U2最大為24 V，通過公式計算，N=7，A=1。

圖5 電壓采樣電路設計

采用美信專用電流檢查芯片MAX9920，其具有高輸入共模范圍，可擴展至-20～+75 V，而且MAX9920通過外部電阻分壓網絡調節增益設置。結合單片機自身采集電壓范圍為0～3.3 V，設計的采集電流范圍為0～4 A。由下式推導：

U=I×R×A

其中U為采集電壓，I為采集電流，R為采樣電阻。U取最大3.3 V，電流取最大4 A時，R×A為0.825，取差分放大10倍，取樣電阻為0.085 Ω，結合實際取0.05 Ω采樣電阻。電流檢測系統電路如圖6所示。

圖6 電流采樣電路設計

2.5 電流保護電路設計

以0.05 Ω為取樣電阻，在把采集的信號用差分放大，放大后的信號與提供的基準源做比較，通過輸出的高低電平去控制繼電器的導通和截止，從而控制負載過流時切斷負載電源。負載電流超過5 A視為過流，而LM358運放和LM393比較器，供電是單電源+5 V，而單片機采集電壓小于3.3 V。由下式推導：

U=I×R×A

其中U為取樣放大后的電壓，R為取樣電阻，A為放大倍數，I為流過負載電流。U取最大為3.3 V，I=5 A，經過合理推算R=0.05 Ω，A=14 A。電流保護電路如圖7所示。

2.6 輔助電源電路設計

根據系統對5 V輔助電壓的需求，采用美國TI公司的DC/DC開關轉換芯片TPS5430。TPS5430是具有5.5～36 V寬輸入電壓范圍，3 A輸出的降壓轉換穩壓器，能將輸入電壓降到5 V，外圍電路簡單，效率高，輔助電源電路設計如圖8所示。

3 系統軟件設計

軟件部分主要需要實現電壓電流采樣、PID算法控制、鍵盤掃描和輸出LCD屏幕顯示幾個功能。系統首先進行各模塊的初始化，當確定輸出分流比后，通過電壓PID調整得到輸出PWM波的占空比，使降壓電路輸出電壓為額定值，待輸出電壓穩定時，進行多次快速電流PID調整，輸出設定的電流比，同時進行過流檢測及保護。如果系統的一個電源出現故障時，檢測器會產生一個軟件中斷，進入中斷服務程序，判定哪個模塊出現故障，則將該模塊從并聯系統中除去，然后通過單路電壓電流PID調整，輸出設定的電壓電流值。程序流程圖如圖9所示。

圖7 電流保護電路設計

圖8 輔助電源電路設計

圖9 程序流程圖

4 測試結果與分析

4.1 測試條件與儀器

測試條件：仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：數字示波器、數字萬用表。

4.2 測試結果與分析

定比例分流模式的測試方案，調整負載電阻，保持輸出電壓U0=8 V，使兩個模塊輸出電流IO分別為1 A和1.5 A，其對應電流分配為I1:I2=1:1和I1:I2=1:2。測量輸出電壓和每個DC-DC降壓電源模塊的輸出電流。測試數據如圖10所示。

圖10 輸出定比例分流模式測試數據

輸出電流分流比可調模式測試的方案是保持輸出電壓U0=8 V，調整負載電流IO在1.5～3.5 A之間變化，設定兩個模塊輸出電流在0.5～2 A范圍內按指定的比例自動分配。測量輸出電壓和每個DC-DC降壓電源模塊的輸出電流。測試數據如圖11所示。

圖11 輸出電流分流比可調模式測試數據

根據上述測試數據，可得如下結論：輸出電流定比例分流模式和可調分流模式，調整負載電阻，保持輸出電壓UO=8.0±0.4 V，模塊最大輸出均流誤差為2%。兩個模塊輸出電流之和IO=3.5 A時，按I1:I2=4:3模式自動分配電流。該系統有負載短路保護及自動恢復功能，保護閾值電流為4A。

結 語