开关电源并联供电系统设计

开关电源并联供电系统 摘 要 本系统设计了低功耗高效率的开关电源并联供电系统，以集成降压电压转换芯片TPS5450为DC/DC核心控制模块，以超低导通电压的新型二极管LTC4352作为保护二极管，以超低功耗的高速单片机MSP430F2816为系统的控制系统核心。采用数字和模拟两种反馈调节的方法，实现了负载总电流1--4A条件下的两路电流在0.5--2倍范围内以任意比例分配，两路输出的电流相对误差绝对值小于2%，并且通过负反馈调节使输出电压稳定在8V?0.1V，整体系统以低功耗高效率为设计，供电系统的效率在70%以上。 关键词 开关电源 并联供电 电流均流 低功耗 DC/DC模块 反馈调节 I 目 录 绪 论 第 1 章 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 第 2 章 2.1 2.2 2.3 第 3 章 3.1 3.2 第 4 章 4.1 4.2 第 5 章 ............................................................................................. 错误～未定义书签。 论证与设计 ............................................... 错误～未定义书签。 开关电源模块并联供电系统结构框图 ............................. 错误～未定义书签。 DC/DC控制模块 .................................................................. 错误～未定义书签。 电流反向保护模块方 案 ....................................................................................... 2 电压电流单元方案 ....................................................................................... 2 电压电流控制及均流 ........................................................................................... 3 电路设计与参数计算 ....................................... 错误～未定义书签。 系统主控电路 ..................................................................... 错误～未定义书签。 DC/DC控制模块电路 .......................................................... 错误～未定义书签。 电 压电流控制及均流电路 ................................................. 错误～未定义书签。 系统功能与软件设计 ....................................... 错误～未定义书签。 程序设 计思想 ........................................................................................................ 11 主程序 ................................................................................................................. 12 系统测试与分析 ............................................................................... 12 测 试条件及仪 ................................................................................................. 12 系统性能参数测试 ........................................................................................ 13 技术总结与展望 ............................................................................... 14 II 绪 论 问的提出 随着功率电子技术的发展，开关电源在各个领域得到了广泛的应用。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率， 维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制PWM控制 和场效应管构成。在大功率DC,DC开关电源中，为了获得更大的功率， 特别是为了得到大电流时，经常采用多个单元并联的方法。多个单元并联 具有高可靠性，并能实现电路模块标准化。然而在并联中遇到的主要问题 就是电流不均，特别在加重负载时，会引起较为严重的后果，因此采用均 流就显得十分重要，它能把电流按一定的比例适当非配到各个单元，既能 增加供电的安全性，又能提高供电的效率。保证系统在不断电的情况下更 换系统的失效模块，提高了系统的可维护性。分布式的电源系统具有很好 的灵活性，可以将模块的开关频率进一步提高，从而提高模块的功率密度， 使电源的体积，重量下降。系统的单个模块的电流应力减小，提高了系统 的可靠性。另外，开关电源的效率高，功耗低，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 设计开关电源模块并联供电系统涉及到DC/DC稳压变换模块、电流电压检测和均流等内容，下面简单介绍其基本原理。 DC/DC稳压变换模块 是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM(占空比)来控制输出的有效电压的大小。 电流电压检测和均流 在大功率DC,DC开关电源中，为了获得更大的功率，特别是为了得到大电流时，经常采用多个单元并联的方法。然而在并联中遇到的主要问题就是电流不均，特别在加重负载时，会引起较为严重的后果，因此采用均流就显得十分重要，它能把电流按一定的比例适当非配到各个单元，既能增加供电的安全性，又能提高供电的效率。在本系统中我们采用两个开关电源单元并联的方案。 1 第 1 章 方案论证与原理设计 1.1 开关电源模块并联供电系统结构框图 要求设计制作一个有两路额定功率均为16W的8V的DC/DC模块构成的并联供电系统，在本系统中我们采用两个开关电源单元并联的方案。保证输出电压为8V,并且能按预 置的比例在适当的范围内自动分配电流，达到均流的目的。 IINIO=I1+I2 负载电阻UO?8.0V 图1-1两个DC/DC模块并联供电系统结构示意图 1.2 DC/DC控制模块方案 方案一:降压开关型集成稳压芯片LM2596 LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有很好的线性和负载调节特性。输出电压可调范围是1.2V--37V，误差范围为4%，能够输出最大3A的驱动电流。功耗低，关断电流仅为80uA，具备过压保护和过热保护功能。 方案二:降压转换器TPS5450 由集成电压转换器芯片TPS5450作为电压转换芯片，TPS5450是一款低功耗的降压型集成稳压芯片，输出电压范围是5.5V—36V，误差范围是百分比是1.5%。最大输出电流为5A。关断电流仅为18uA，具备过压保护和过热保护功能。工作温度范围是-40—125。+24V电源经过降压稳压后输出要求的电压8V。 基于低功耗和简化设计的考虑，题目要求发挥的输出电流范围为1.5V—3.5V，输出电压范围要求为8.0V+0.4V，误差范围为5%，而TPS5450最大输出电流为5A，误差范围仅为1.5%，而且关断电流18uA远远小于LM2596的80uA的关断电流，所以我们选择以集成电压转换器芯片TPS5450为核心的DC/DC控制模块方案。 1.3 电流反向保护模块方案 因为存在两路供电，有可能出现一路电流过大而另外一路电流很小的情况，这时会造成电流反向流入另外一路损坏器件，因此需要加电流反向保护模块，防止电流反向。 2 在本系统中我们选择真二极管LTC4352，LTC4352是一款低压差的二极管，输入电压范围是2.9-18V,的管压降只有25mV，远远小于普通二极管0.7V的压降，因此用它来作为单向导通的保护二极管不会对整体的电压输出造成较大的影响。 1.4 电压电流检测单元方案 为了达到题目要求的输出稳定的+8V电压和按比例分配的电流，需要通过反馈调节电压和电流，因此我们对输出的电流进行取样，以电压的形式输出。为了不影响后级负载同时又要保证精度，我们选择用康铜丝制做精密小电阻，大小仅为几十毫欧，通过约1A左右的电流后产生几十毫伏的电压，通过差分放大器后得到取样电压，然后把得到的电压送入控制单元进行反馈控制。 图1-2 电压电流检测示意图 1.5 电流均匀分配方案 方案一:模拟方法控制 题目要求使负载电流在1.5~3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在(0.5~2.0)范围内按指定的比例自动分配，利用模拟电路进行控制简单可行，只需要和采样的精密电阻并连上一个大电阻，为了实现连续可调，采取并联上一个电位器，变化范围是100k。因为精密采样电阻只有几十毫欧的大小，并连上一个几十千欧大小的电阻对采样电阻的采样电压几乎没 有影响。通过改变并联电阻大小就能改变电流的分配比例，采用模拟控制时只需要对一路进行采样，通过精密电阻对电压进行取样，分别经过查分运放后再和参考电压一起经过减法器送入集成电压转换器芯片TPS5450的反馈端对输出电压和电流经行控制。 ?VaVFBaVFBb 图1-3 模拟器件控制示意图 3 方案二:数字方法控制 直接采样数字控制，对采样的电流和电压经行转换后送入单片机经过设计的算法经行运算后输出反馈电压再送入集成电压转换器芯片TPS5450反馈端对输出电压和电流经行控制，直接用数字器件控制在硬件电路上实现起来简单，电路简单，不需要额外增加运放。只需要设计合适的算法就能输出合适的反馈电压，而且通过算法设计用程序控制比例系数可以设置任意的比例，控制非常方便，而且可以实时修正各个反馈参数，及时调整反馈电压，可以提高输出电压的精确度，而且设计高效的算法可以减少电源电流的波动，使输出快速达到稳定。 VFBa VFBb ?Va ?VbV0 ERFb 图1-4 数字器件控制示意图 方案三:模拟和数字结合控制 模拟电路进行控制简单可行，只需要调节电位器就能改变电流分配比例，数字电路控制方便高效，可以程控，只需要通过键盘就能方便快捷的改变电流分配。把两者有效的结合起来使用，利用电位器来完成电流比例的分配，通过调节电位器改变送入差分放大的采样电压，以此来反馈调节电流分配比例。在前期的调试工程中非常方便，用数字器件来程控实现任意比例的分配，在后期的控制中非常方便。这样在一般情况下只需要调节滑动变阻器就能改变电流比例分配，可以大大减小功耗。通过数字器件来控制，可以实时检测改变电流的比例分配。而且还可以通过与单片机相连的控制键盘来改变分配比例。在本系统中通过一个开关就能选择是利用模拟器件控制或者数字器件控制。示意图如图1-5。 DIGb 图1-5 模拟和数字器件结合控制 在本系统中要求每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%，精度要求较高，因此肯定会用到数字器件控制，但模拟器件控制可以脱离控制系统独立工作，工作的可靠性可以得到保障，在控制系统出现异常的情况下照样能够正常工作。因此最终选择方案三。 4 1.6 系统供电方案 为了降低系统的功耗，提高系统的效率，本系统选用用降压型开关稳压电源控制器LM2576转换高电平24V输入，AS1117-3.3与AS1117-5低压线性稳压电源芯片输出供电给运放模块和单片机控制模块，且AS1117的 特性适合开关电源的后级稳压 。 +24V 输出+5V电源为A/D、D/A、运 放供电 输出+3.3V电源 为单片机供电 图1-6 稳压电路示意图 AS1117-3.3输出3.3V电源为单片机供电，AS1117-5输出+5V电源为系统的其它芯片供电。AS1117是一款低压差的线性稳压器，当输出 1A最大电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V,而且多用于开关电源的后级稳压。输出电压电压线性度为 0.2,，精度高达?1,，稳定度好，因此对本系统非常适用。 1.7 整机设计方案框图 通过上述方案论证，我们选择集成降压稳压芯片TPS5450作为DC/DC控制模块方案，选择真二极管LTC4352作为反向保护，采取模拟和数字相结合的控制方法。 开关电源模块并联供电系统整体结构框图如图1-6所示。 5 图1—7 整机设计方案框图 整体系统的反馈控制示意图如图1-7 Ia?b 图1-7 反馈控制示意图 设置四个变量分别为变量: ?Va?Vb?Ia?Ib: ?Va 为A支路电压反馈系数，?Vb B支路电压反馈系数， ?I为A支路电流反馈系数，?I为B支路电流反馈系数 a b 6 由反馈电路控制关系得到: Vouta?va?IaRa?Ia?Vra{ Voutb?vb?IbRb?Ib?VrbV?IR?Vo{outaaa Voutb?IbRb?Vo (1-1) 预设两路电流分配关系为 Ib:Ia??:1，则得到:V ? o VrbRb ?Vb?(?Vb??Ib) 1??RL ? Rb(?V??I) 要RL调整时Vo基于不变，则要使趋近于0， b b RL 得到?Vb??Ib代入得到:V0? Vra ?V 所以?Ib=?Va? a VraV ，同理可求出?Ia=?Va?ra，所以只要对反VoVo 馈系数加以控制，就能使输出达到稳定。而这些反馈系数既可以通过模拟的方法来实现，也可以通过数字的方法来实现，模拟方法就是通过控制取样比例系数和放大倍数来控制，数字部分直接利用单片机控制A/D、D/A利用算法来实现。 用模拟控制方法时，因为本系统是单电源供电，因此在系统设计中，只要满足两路反馈VFB2?VFB1，就能完成减法运算。而节省了必须用双电源供电带来的额外功耗和电路复杂度。 第 2 章 功能电路设计与参数计算 该程控滤波器电路由DC/DC降压稳压模块、电流电压检测及均流电路模块、系统控制电路以及系统供电电路等部分组成。 2.1 DC/DC降压稳压模块 本模块以集成电压转换器芯片TPS5450为核心，+24V电源由POWER端输入，输出电压通过内部反馈调节稳定在+8V。 输入电压+24V经vin端输入，TPS5450内部参考电压为1.221V，误差为1.5%,反馈端由vsense端输入，经过比较器和内部的产生的锯齿波Vs比较，当VFB?Vs时，产生高电平，当VFB?Vs时，产生低电平，从而产生PWM信号，当反馈电压值不同时通过比较器产生的PWM信号的占空比不同，信号有效值就不一样，经后续变换后产生的电压有效值就不一 7 样，如此反复调节直到反馈电压稳定在1.221V，此时输出电压就能稳定在8V。 该部分电路图如图2-1所示。 图2—1 DC/DC降压稳压模块 +24V电压经TPS5450反馈调节后输出稳定的+8V，真二极管LTC4352作为保护二极管，防止电流分配失调时倒灌损坏器件。图中电感L2、L3作为滤波电感，电容C10、C11、C17、C18作为滤波退偶电容，去除输出电源的干扰。 2.2 电流电压检测及均流电路设计 通过精密小电阻进行取样，该取样电阻大约为50毫欧左右，取样电压经过差分放大器INA210进行放大后得到?V，同时通过电阻R19和R22(另外一路是R34和R36)分压后得到参考电压VERFa和VERFb，经集成运放后输出VFBa和VFBb反馈到TPS5450的VSENSE端调节输出电压稳定到8V,输出电流稳定在设定的比例。 8 图2-2 电流电压检测及均流电路 反馈电压由VSENSE端引入，反馈电压取自两部分，一部分是电流取样后的?I?Va?IaRa?I，另外一部分是R19和R22引入的反馈?VVouta。两路反馈共同调节使输出稳aaa 定。 参数计算:TPS5450内部参考电压为1.221V,当系统稳定时应有VFB=1.221V Vrefa? Vrefb?R22VoR19?R22R36Vo R34?R36 V0=8V, R34=R19=10K: R22??1.8K?V0??8??1??1????V??1.221??refa? R3410R36???1.8K?V0??8??1??1????V??1.221??refb? R19?10 通过计算，R22要取1.8k，R36要取1.8k。 9 2.3 控制电路设计 本系统的控制器我们选用TI公司的MSP430F2816单片机。MSP430是一种低功耗、高性能的16位单片机。它采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式，还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。除此之外MSP430 单片机还具有超低的功耗，其电源电压仅为3.3V 。而且MSP430F2816单片机内部集成有A/D,因此减少了外围器件，精简了电路，提高了效率。 2.4 系统供电电路设计 对于高精度的系统设计，要求电源的稳定性精密度好。为了给整机提供稳定的工作电压，我们采用二次稳压、多级退耦的措施自行设计了一个精密的供电电路。对于供电要求高的模拟电路我们采取稳压基准二次稳压的方法。 模拟系统取外部输入电压为+24V，第一级稳压LM2576输出为+6.5V，一路引入到单片机系统板上经REG1117-3.3二级稳压后输出+3.3V为单片机供电，另外一路由 REG1117-5.0二级稳压后输出+5V，为系统的其它芯片供电。 整机系统主要供电电路如图7所示。 图2—3 系统供电电路图 参数计算: LM2357是通过反馈调节使输出稳定在6.5V，LM2357的内部参考电压是1.23V。 R5?1k?5k 取R4=2k Vo?6.5V Vref?R4VoR1?R4 ?V??6.5?R1?R4?0?1????1??8.6k?V?1.23??ref?? LM324构成跟随器，其稳定输出电压为1.221V，其前级输入为REG1117的输出5V 10 R3=10k V0? R5?R5VinR3?R5R3 ?Vin??1??V?0??10?5??1??1.221???3.23k 通过计算，R1要取8.6k，R5要取3.23k。 2.5 过流保护方案 题目要求具有负载短路及自动恢复功能，阈值电流为4.5A，因此我们为本系统设计了过流保护，通过电流取样当大于阈值4.5A时，通过单片机输出一个高电平对模块进行关断，从而起到负载保护及自动恢复功能。 第 3 章 系统功能与软件设计 3.1 程序设计思想 程序由主程序、定时器中断程序、A/D中断程序、键盘中断程序四部分组成。各部分功能及流程图如下。 Ua?ba?IaRa Ub?bb?IbRb 手动调节Ia?Ib UabR?A?aa UbbbRb 1推导出?Ua=?Ua+AUb?1+? ?Ub= ? A?Ua 根据以上推导的关系式设计PID算法，经过多次迭代就能使电流电压迅速的达到稳定。 3.2 主程序 主程序的主要工作是进行初始化，扫描键盘，并响应键盘，设定反馈系数初始值。主程序流程图如图3-1。 11 No 图3-1主程序流程图 第 4 章 性能测试与分析 在测试的时候，我们不慎把集成电压转换器芯片TPS5450烧掉了，因为手头没有可以替换的芯片，在附近电子市场又买不到这款芯片，我们只好用降压开关型集成稳压芯片LM2596来替代TPS5450，虽然整体性能上有了下降，但还是完全可以满足题目要求。 4.1 测试条件及仪器 完成系统调试后，我们在实验室进行了测试，测试条件是常温常压。 12 4.2 系统性能参数测试 连接好电路后开通电源利用万用表测试两路的电流和负载电压，在总电流分别在1A、2A、3A、4A，比例分别设置为1:1、1:2、2:1、3:1、1:3的情况下测试记录数据如表4-2. 一、 系统效率测试: 电源VCC=24.05V，电源电流ICC=0.93A，负载电压V0?8.01V，负载电流I0?2.03A 所以计算得到供电系统效率?? VCCICC ?100%=72.85% 。 V0I0 第 5 章 设计总结与技术展望 本课题设计并实现了开关电源模块并联供电系统。各部分的功能和性能达到或超过了题目的基本要求与发挥要求，圆满地完成了竞赛题目的要求。 系统功能与性能比较结果如表7所示。 表5 系统功能与性能总结 13 14