基于开关电源的并联供电系统设计

摘要：文章采用单片机SPCE061A为主控芯片，以开关电源芯片TD1507为核心，利用主从均流控制技术实现两路稳压电源构成的并联供电系统。系统可通过高精度运放OP07的动态调节实现自动均流。此外，系统具有负载短路保护及自动恢复功能、负载温度检测与散热功能和液晶实时显示功能。

关键词：开关电源;主从控制;并联供电;大功率电源;DC/DC

0 引言

随着电力电子技术的发展，开关电源的应用领域日益广泛。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，直流开关电源的核心是DC/DC转换器。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。在大功率开关电源中，通常采用多个单元并联获取大电流的方法获取大功率。

1 系统方案论证

系统采用两个开关电源单元并联的方案实现两路并联供电系统，两路模块的额定功率均为16W，输出电压为8V。其框图如图1所示。

1.1 DC/DC变换电路方案

方案一：LM2596开关电压调节器

LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用较小规格的滤波元件。

方案二：TD1507降压转换器

该器件是一个易于使用的可调降压开关模式稳压器。它提供了一个可调输出版本，是驱动负载能力为2.5A输出电压在1.23V到34V之间可调的出色线路负载调节器。降压电路对外部组件数量要求低，稳压器使用简单，包括内部频率补偿功能，和固定频率振荡器。

方案二外围电路少，易于控制和实现，稳压效果好，所以采用该方案。

1.2 电流电压检测与过流保护方案

本系统采用直测式霍尔电流传感器，检测通过负载的电流，并通过电压变换电路反馈给单片机，单片机通过A/D转换判断电流范围，从而确定并联DC/DC模块的输出电流比。当检测到电流信号超过设定安全值时，整个系统被切断，以达到保证系统安全作用。

霍尔电流传感器工作原理如图2所示，原边电流Ip产生的磁通量聚集在磁路中，并由霍尔器件检测出霍尔电压信号，经过放大器放大，该电压信号可精确地反映原边电流。通过单片机A/D转换，与设定值比较后可判断系统工作模式，并判断是否过流。

1. 3 均流方案

方案一：斜率法

斜率法是最简单的一种均流方法，其原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，从而达到均流。斜率法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。但此方案在小电流时效果较差，随着负载的增加均流效果会有所改善。该法只适合应用于均流精度大于或等于10%的场合，很难达到5%的均流效果。

方案二：主从均流法

主从法的均流思想是在并联系统中人为指定一个模块为主模块，直接接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号。主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等的。采用这种方法，精度很高，控制结构简单，模块问边线较少，易于扩展为多路。

对于本系统中的两个电源都采用DC/DC芯片设计，系统的不确定因素少，可靠性高;又主从均流法精确度很高，设计简单，成本低，所以采用方案二。

如图3所示，当两路并联使用时，电路分为主从两路，通过电流反馈控制技术实现自动均流。使用精密采样电阻采样各路电流，再用高精度低失调电压的精密运放集成电路OP07进行放大。将主路仪放输出端送到运放的同向端，从路仪放输出端送到运放的反向端，运放的输出端反馈从路反馈脚通过仪放放大，运放比较、反馈实现自动均流。本电路是对各电流进行比较，所以即使负载变化也能实现均流。

2 电路设计

2.1 主电路

系统主控模块选用凌阳的SPCE061A单片机。它功耗低，超小型，成本低，功能完整，非常适用于便携式仪表和就地式显示控制仪表，在国内越来越受到用户的重视和广泛应用。在本系统中，充分利用了该单片机的A/D、D/A转换功能、配套液晶模组并设计了人机交互界面，系统主电路如图4所示。

2.2 DC/DC转换电路

本系统中使用了TD系列开关电源芯片TD1507，电路如图5所示。TD1507可将输出电压稳定在1.23V到43V连续可调。本系统中用此模块将前端电压转换为8V稳定电源。两路中元件应尽量一样，续流二极管选用低压降肖特基二极管。

图中电感计算公式为：

公式中Kind=0.2，Fsw=500KHZ是开关电源的工作频率。这里电感起储能作用，电感量不能太小，太小会引起电感的磁饱合;电感量太大时电感上会有很大的铜损和铁损，波纹峰-峰值计算公式为：

2.3 测控电路

2.3.1 电流电压检测及过流保护电路

本系统采用直测式霍尔电流传感器ACS712检测通过负载的总电流，并通过电压变换电路反馈给单片机，单片机通过A/D转换判断电流范围，从而确定并联 DC/DC模块的输出电流比例。当检测到电流信号超过设定安全阀值时，整个系统将被切断，以达到保证整个系统安全工作。霍尔元件工作原理图如图6所示。

2.3.2 温度检测控制电路

充分考虑到大功率负载在工作过程中会产生大量热量，如不及时散热，可能影响系统性能甚至导致系统瘫痪。我们设计了温度检测与控制电路。及时检测负载周围空气温度，将温度信息反馈给单片机处理。当系统过热时及时散热保障系统性能。

温度控制系统由温度传感器DS18B20、继电器和直流风扇组成，如图7所示。DS18B20接到单片机的一个I/O口上，由于单总线为开漏，所以需外接 10K的上拉电阻。DS18B20收到单片机发送的时序命令就将采样到的温度信号发送给单片机处理。当单片机检测到温度超过安全值时，与继电器相连的引脚输出高电平驱动电磁继电器使直流风扇通电，开始散热。

3 软件流程图

本系统软件采用模块化设计思想，主要有三个模块：操作模块、液晶显示模块、键盘模块。主流程图如图8所示。

4 总结

在额定输出功率状态下，系统输出直流电压稳定在8V±0.4V;两路电源并联供电，在各电流比例工作状态下，每个模块的输出电流的相对误差绝对值小于 5%。在额定输出功率状态下，供电系统的效率大于60%。具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阀值电流为4.5A。系统具有负载温度检测与散热系统和液晶实时显示电流、负载温度、和电流分配模式等功能。