直流电源主从均流法的实现与测试.docx

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直流电源主从均流法的实现与测试

学科代码：

070201

学号：

2008405093

本科毕业论文（设计）

题目：

直流电源主从均流法的实现与测试

学院：

理学院

专业：

物理学

班级：

2008级

学生姓名：

指导教师：

2012年2月25日

直流电源主从均流法的实现与测试

摘要：

随着直流电源和均流技术的发展，直流电源并联均流的研究具有重要的研究价值。

本设计利用集成稳压器LM317实现直流稳压，采用主从均流法、集成运算放大器LM324实现两电源模块均流。

最后通过MULTISM仿真软件进行电路测试得出有关数据，根据数据进行结果分析。

关键词：

直流电源；并联；主从均流法。

DCpowerflowmethodaremaster-slaveimplementationandtesting

Abstract:

WiththeDCpowersupplyandcurrent-technology,parallelDCpowerflowstudiesareofgreatresearchvalue.ThisdesignusesintegrationtoachieveDCvoltageregulatorLM317,master-slavecurrent-sharingmethod,toachievetwoLM324op-ampintegratedpowermodulesarecurrent.Finally,circuitsimulationsoftwarebyMULTISMdrawrelevanttestdata,basedontheresultsofdataanalysis.

Keywords:

DCpowersupply;regulator;operationalamplifier;master-slavecurrent-sharingmethod;LM317;LM324.

0引言

近年来随着电子产业的迅速发展，直流稳压电源在不同的领域得到了实际的应用，为各种电子产品提供电源。

在市面上已经有不少直流稳压电源出售，同时近几年已有不少人士在进行直流稳压电源的研究或生产。

在实际应用中,直流电源往往需要多台并联使用,以满足用户的需要。

然而并联电源各个模块特性的不一致，可能导致电压调整率模块承担较大的电流甚至过载，热应力大：

外特性较差的电源模块运行于轻载甚至空载。

从而导致电源模块的可靠性降低，寿命减小。

因此需要采取实现均流措施来保证模块间电流应力和热应力的均流分配，防止单个电源模块运行在电流极限值状态[1]。

但研究电源模块并联实现均流的相关人士很少，因此发展适用、性能可靠的直流稳压电源并实现均流具有广阔的前景和应用价值。

本实验主要通过采用主从法来实现直流稳压电源并联均流，并进行相关的测试。

1方案论证

1.1直流稳压电源组成

稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4分组成，如图1所示。

图一稳压电源的组成框图

整流电路是交流电压转变为直流电压的第一步，一个好的整流电路设计有助于取得更大范围的稳定电压输出。

交流电经整流电路后可变为脉动直流电，其中含有较大的交流分量，为了得到较纯净的直流电，还必须用滤波除去脉动电压中交流成分。

本设计采用全桥式电路整流组件实现整流，采用电容滤波电路进行滤波。

将220V，50HZ的交流电经交流电经过变压器降压后,送入全桥整流组件,进行整流滤波后,得到相对稳定的电压U.

1.1.1硅管稳压电路

整流电路把交流电变换为单向的脉动电压，而滤波电路降低了输出电压中的脉动成分。

但经过整流和滤波后的直流电压，会由于交流电网电压的波动以及负载电阻的变动而发生变化。

绝大多数情况下，这种输出电压的变化波动与理想的直流电源显得太大，仍然需要进一步对其进行稳定，这就需要采用稳压电路。

硅稳压管稳压电路是常见的稳压电路之一。

整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输出电压

稳压管

负载电阻

并联。

为了保证工作在反向击穿区，稳压管作为一个二极管，要处于反向接法。

限流电阻

也是稳压电路必不可少的组成元件，当电网电压波动或负载电流变化时，通过调节

上的压降来保持输出电压基本不变。

在输出电压不需要调节，负载电流比较小的情况下，硅稳压管稳压电路的效果较好，所以在小型的电子设备中经常采用这种电路。

但是，硅稳压管稳压电路存在缺点是：

输出电压由稳压管的型号决定，不可随便调节；电网电压和负载电流的变化范围较大时，电路将不能适应。

1.1.2集成稳压电路

随着集成电路技术的发展，稳压电路也迅速实现集成化。

目前，集成稳压器已经成为模拟集成电路的一个重要组成部分。

稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。

采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。

集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。

按其输出电压类型可分为固定电压输出和可调输出两种不同类型，此外固定输出集成稳压器又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。

三端固定式集成稳压器可分为7800正稳压和7900负稳压两大系列。

三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。

型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。

三端可调稳压器具可分为三端可调式正稳压器和三端可调式负集成稳压器两种类型，有W117、W217、W317，LM317、LM337、LLM350、LLM380等型号。

它们可调节范围是1.2V——37V，可输出0.1A、0.5A、1.5A、3A、5A的负载电流。

三端可调稳压器具有外围元件少、使用方便灵活、输出电流大、调节范围宽、稳压精度高、纹波抑制性能好、保护功能全等优点，其优于三端固定输出稳压器。

总综上所述，根据本设计的输出电流值及本设计的实现，我采用三端可调式集成稳压器LM317来实现电源的稳压。

1.2电源并联均流方案的选择

直流电源输出系统的组成分为“并联式“和“集中式“两种方式。

而并联式模块直流输出电源模块的并联是电源模块化的实现、大容量化的有效方法，是电源技术发展方向之一，比集中式单电源系统具有更多的优点。

电源模块的并联具有输出功率的可扩展性强、设计灵活、可靠性高，易于标准化及维护等特点。

直流电源模块的并联要求其每个模块电源特性一致和电源模块间的电压误差尽可能的小。

在实际电源模块并联中，其特性或电源模块电压总存在一定的误差，各个模块所分担的电流就不完全相等，结果可能就出现其中一个或多个电源模块所承担的电流过大的情形，从而导致其电源模块的热应力过大，系统的稳定系数降低。

为了使负载输出端的电流在并联模块中得到平均分配，就采用特殊的均流法。

在实际应用中，并联均流法有下垂法、最大电流法（自动均流法）、主从均流法。

1.2.1斜线法

斜率法又叫下垂法是最简单的一种均流方法。

斜率法是根据对模块输出阻抗的外部调节，或者输出电压的内部负反馈来实现对电源模块输出外特性斜率的控制，从而改善均流性能[2]。

其原理是利用电流反馈信号或直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，从而实现均流。

如图2所示，下垂法的均流效果取决于个电源模块的参考值、外特性曲线平均斜率及个电源模块外特性的差异度。

其方法的

图二斜线法外特性图

缺点是：

为了得到下垂特性，会降低负载调解率：

并联系统属于电压和电流开环控制，所以其均流效果较差；调节特性比较麻烦；对个模块的电压特性要求较高，均流实现起来比较困难。

精度也比较低。

1.2.2外接控制器法

外界控制器法是使用一个外加的均流控制器，比较所有模块的电流，从而调节相应的反馈信号实现均流。

这种均流控制方法效果较好，但需要一个外加的均流控制器和附加连线。

1.2.3最大均流法

最大均流法又叫自动均流法，电路如图三所示。

最大电流法是依据“均流误差信号”的闭环控制方法[2]。

由于均流误差的信号提取不同，最大电流法主要由并联系统的闭环调节和均流误差信号处理两大部分组成，这两部分的有机结合就构成了特定的最大均流法。

最大电流均流法技术因为二极管单向性，只有电流最大的模块才能与均流母线相连，该模块就是主模块。

其余的为从模块，根据比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差异，通过误差放大器输出补偿基准电压达到均流。

这种均流方法有专门的均流芯片，UC3907系列负载均流集成控制器就是采用这种工作原理制作的。

但由于二极管工作总存在正向压降，因此导致主模块系统均流会有一定误差；而且均流是一个从模块上身超过主模块的过程，系统中主从模块的角色不断交换，各模块输出电流存在低频振荡从而降低了系统均流的稳定性。

图三最大均流法示意图

1.2.4主从均流法

主从均流法是在并联运行电源模块单元中，人为的选定一个电源模块作为主电源模

块，其余的电源模块作为从电源模块。

主从均流法对于参数特性相近的模块，只要其输

图四主从原理图（还有下载的痕迹）

出电压相等，系统的均流指标就能满足相应的要求。

其方法的工作原理是：

通过用一

个主控制电源模块的电压调节器控制其并联中各模块的输出电压稳定值，全部并联模块

内部具有电流型内环控制，从而工作于电流源方式[2]。

主电源模块工作于电压电源方

式，从电源模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，即从电源模块工作于电流源方式，

电流值可以独立设置。

主从法原理如图四所示。

因为主从均流法的供电系统在统一的误差电压下调整，电源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，各个电源模块的电流总是相等，从而达到均流的效果。

采用此种均流法，控制结构简单，精度很高，各电源模块间联系少，易于扩展多路电路。

此种方法的主要缺点是：

一旦主电源模块发生故障，整个电源供电系统就不能正常工作。

通过对以上四种典型电联模块并联均流法的讨论，考虑到本实验系统只有两路电源，且采用了LM317芯片稳压设计，系统的不确定因素少，可靠性增加，又主从均流法精度高，设计电路简单，成本低，满足实验要求，因此我采用主从均流法实现电源模块并联均流。

2方案的实现

2.1三端稳压器LM317构成电压输出

LM317可调集成稳压器具有体积小，可靠性高以及温度特性好等优点，属于三端集成稳压器，芯片只引出三个端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需要外接元件。

如图5五所示是LM317的引脚图。

芯片内却继承了各种保护电路，使用更加安全、可靠。

2.1.1三端稳压器LM317简介

LM317最小输入电压、输出电压差（

）=3V,最大输入、输出电压差为（

）=40V;LM317的电压调节范围是1.5——37V，最大输出电流为1.5A，其输出电压公式为

。

。

图六LM317基本应用电路

2.1.2三端稳压器LM317在电路中的作用

由U1和U5两块LM317构成主从电源输出，参考图十。

由U1构成主电源的固定电压输出，由电压输出公式

，电阻

=

=1.25/（5~10）×10-3=120Ω~240Ω（

为稳压器基准电压），本电路选用240Ω。

调节电阻

，即可改变输出电压的大小。

由于

很小（只有50μA），

=（1+

）

=1.25（1+

），可得

=（0.8

-1）

，即本设计电路选用5KΩ

　由U5构成从电源的电压输出（此处叙述是如何调节从电源电压的）

2.2由LM324构成取样和比较电路

本设计采用主从均流法实现直流电源并联均流。

通过调节集成稳压器LM317得到12V稳压直流电源，得到相同的两电源模块让其并联为负载供电，采用集成运算放大器LM324J实现电源并联主从均流。

2.2.1LM324芯片简介

集成运算放大器LM324J只是LM324的一种封装形式，其实质就是集成运算放大器LM324。

LM324芯片是带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比有一些显著的特点。

LM324四运放电路具有以下特点：

短路保护输出；真差动输入级；单电源工作电压范围为3V—32V；低输入偏执电流最大100nA；每一封装四个放大器；内部补偿；共模范围扩展到负电源；行业标准引脚输出；输入端静电放电箝位可靠性增加。

LM324的管脚引脚图如图7所示。

每一组运算放大器可用图八所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，其中“

”、“

”为正、负电源端，输出端为

。

两个信号输入端中，

（-）为反相输入端，表示运放输出端

的信号与该输入端的位相反；

（+）为同相输入端，表示运放输出端

的信号与该输入端的相位相同。

引脚排列图如图八所示。

图七LM324管脚连接图图八引脚排列图

本设计中利用LM324构成电压比较器，应用电路如图九实质就是运算放大器非线性特性应用。

比较器的输出就是低电平或者高电平，当正输入端电压高于负输入端电压时，输出为高电平。

图九电压比较电路（用作图软件将Rf去掉）

2.2.2取样和比较电路原理分析

（此内容详细描述三个运放在此电路的取样和比较原理，如何实现均流，应重点分析）

3电路的测试

3.1设计要求

直流均流电源由2路组成构成，单路输出电压为12V,输出电压误差控制在

5%，并联自动均流，输出的总最大电流为1A，通过调节负载，输出电流误差控制在

5%。

3.2基于Multisim仿真

有Multisim软件连接电路，调节R4使输出电压额定值，改变负载电阻R9，对主从电压及电流进行测试。

图十总电路原理图（不要彩色的，用画图软件，将U5改为U2，U2A、U3A、U4A改成U3A、U3B、U3C。

文字叙述中相应改动。

）

3.3数据记录

采用MULTISM仿真软件进行电路仿真，得到相应的数据。

负载变化，相应电流、电压值的数据记录。

负载/Ω

主稳压输出电压/V

从稳压输出电压/V

主路输出电流/mA

从路输出电流/mA

总输出电压/V

均流输出电流/mA

5

12.195

12.195

1.161A

1.161A

11.613

2.323A

10

12.196

12.196

594.04

594.689

11.897

1.19A

15

12.196

12.196

399.665

400.016

11.995

799.681

20

11.943

11.943

294.673

295.057

11.795

589.733

25

12.196

12.196

241.668

241.317

12.075

482.988

30

12.196

12.196

201.753

201.403

12.095

403.158

35

12.196

12.196

173.162

172.812

12.109

345.976

40

12.196

12.196

151.674

151.324

12.12

302.997

45

12.196

12.196

134.934

134.584

12.128

269.518

50

12.196

12.196

121.523

121.173

12．135

241．7

55

12.196

12.196

110.544

110.193

12.141

220.739

60

12.196

12.196

101.386

101.034

12.145

202.419

65

12.196

12.196

93.627

93.277

12.149

186.908

70

12.196

12.196

86.976

86.626

12.152

173.605

75

12.196

12.196

81.21

80.858

12.155

162.071

80

12.196

12.196

76.163

75.811

12.158

151.973

85

12.196

12.196

71.703

71.353

12.16

143.061

90

12.196

12.196

67.742

67.392

12.162

135.135

100

12.196

12.196

61004

60.652

12.165

12.654

表一测试数据值1

为了更精确的测量电流到达熔断丝的熔断电流值时的负载值以及相应的电压电、流，把负载电阻的总负载值减小。

当超出或达到熔断丝熔断的电流值时，熔断丝自动断开，同时仿真窗口会弹出仿真错误的信息，如图十一所示。

下表为相应的数据。

负载/Ω

主稳压输出电压/V

从稳压输出电压/V

主路输出电流/mA

从路输出电流/mA

总输出电压/V

均流输出电流/A

6.84

12.195

12.196

735.845

753.494

11.818

1.507

表二测试数据2

图十一熔断丝熔断图（这个图表示什么意思？

）

测试偏差

负载/Ω

均流输出

电流/mA

两路总输出

电流/mA

主路偏差

从路偏差

总电流偏差

10

1.19A

1188.729

0.66225

0.33775

0

15

799.681

799.681

0.58775

0.41225

0

20

589.733

589.73

0.596

0.404

0.0015

25

482.988

482.985

0.41225

0.58775

0.0015

30

403.158

403.156

0.4125

0.5875

0.001

35

345.976

345.974

0.4125

0.5875

0.001

40

302.997

302.998

0.4125

0.5875

0.0005

45

269.518

269.518

0.4125

0.5875

4.02E-14

50

241.7

242.696

0.4125

0.5875

0.498

55

220.739

220.737

0.41225

0.58775

0.001

60

202.419

202.42

0.412

0.588

0.0005

65

186.908

186.904

0.4125

0.5875

0

70

173.605

173.602

0.4125

0.5875

0.0015

75

162.071

162.068

0.412

0.588

0.0015

80

151.973

151.974

0.412

0.588

0.0005

85

143.061

143.056

0.4125

0.5875

0.0025

90

135.135

135.134

0.4125

0.5875

0.0005

100

12.654

122.156

0.287

0.713

54.751

表三测试偏差

4结果分析

4.1输出电压（计算出电压误差）

4.2负载能力（由表一画出U－I图,图式样如下）

电压调整率

4.3输出电流误差（计算两路输出电流最大误差并分析）

从测试数据来看，本设计结果已经到达了设计要求。

均流偏差和总输出电压误差都在5%以内。

从测试结果来看电源均流时两路的电流仍有一定的误差，并非绝对的均流：

而且均流偏差变化不是线性的，从表三可以看出。

原因是本设计用的是LM317实现电源稳压并联和采用的主从均流法，通过运放LM324调节实现，而运放两个输出端不能做到真正的“虚短虚断”，会出现电压的失调，导致两路电流存在偏差。

若要进一步减小偏差，可以采用开关电源并联的平均均流法。

参考文献

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