全国电子设计大赛报告1.docx

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全国电子设计大赛报告1

2011年全国大学生电子设计竞赛

开关电源模块并联供电系统（A题）

【本科组】

2011年9月4日

摘要

电子设备的实际应用过程中，往往因为使用单台直流电源的输出参数（如电压、电流、功率）不能满足要求或发生故障，这样就引起整个系统效率低下甚至系统崩溃。

所以在实际应用中通常采用多个电源并联运行。

并联均流技术是当前电力电子技术发展的重点．本系统DC/DC变换器以BUCK电路为核心，通过电压驱动型脉宽调制控制芯片TL494作为控制核心，产生固定频率的PWM波对开关管进行控制，产生恒定的电压输出。

将两个相同的DC/DC模块并联起来，通过主动均流法进行两个个模块的均流输出，保证两模块的正常运行，基本实现了开关电源模块并联供电系统的指标。

目录

1系统方案3

2系统理论分析与计算4

2.1控制电路的分析与计算4

2.2DC/DC电路的分析和计算5

2.3模块并联均流方式的分析与计算6

3系统总体电路7

3.1系统总体电路图7

3.1.2电流电压反馈电路原理图8

3.1.3负载短路保护8

4测试方案与测试结果8

4.1测试方案8

4.2测试条件与仪器9

4.3测试结果及分析9

4.3.1测试结果（数据）9

4.3.2测试分析与结论10

参考文献10

附录1：

电路原理图11

开关电源模块并联供电系统（A题）

【本科组】

1系统方案

随着电力电子技术的发展，电源技术被广泛应用于计算机、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济各行各业。

各种电子装置对电源功率的要求越来越高，对电流的要求也越来越大，开关电源向更大功率方向发展。

研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势。

但受构成电源模块的半导体功率器件、磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦，但实际应用中往往需用几百千瓦以上的开关电源为系统供电。

因此，大功率电源系统需要用若干台开关电源并联运行，以满足负载功率的要求。

在并联多相DC/DC变换器中。

各模块承受的电流应自动平衡。

DC/DC变换器的并联均流是需要解决的关键问题，若不均流则会造成各模块功率不均衡，从而降低整个系统的可靠性。

针对于这样的应用，主要采用方案有以下三种。

方案一：

输出阻抗法。

即调节输出阻抗，以达到并联模块接近均流的日的。

此方法是一种简单的大致均流的方法，小电流时，精度比较低。

方案二：

主从控制法。

此方法适用于电流型控制的并联开关电源系统中。

这种均流系统中有电压控制和电流控制，形成双闭环控制系统。

这种方法要求每个模块间有通讯，所以使系统复杂化，并且当主模块失效时，整个电源系统便不能工作。

方案三：

主动均流法。

此方法依据均流误差信号的闭环控制方法，由并联系统的闭环调节模式和均流误差信号处理方式两部分组成，根据这两部分的不同选择，目前已发展了很多的组合类型。

因为均流误差信号参与控制，从而使这一类方法具有许多优良性能。

综合以上三种方法，采取方案三作为我们的系统方案。

该方案采取均流误差信号参与控制，均流效果较好，易实现准确均流；可以构成冗余系统，均流模块数理论上可以不限。

本系统框图如图1所示，主要由DC/DC模块、电流电压检测模块组成。

两个DC/DC模块提供稳压的输出；电流电压检测模块对两个DC/DC模块的输出电流进行差分放大，与DC/DC模块构成闭环负反馈，通过细微改变DC/DC模块的输出电压，使得两个DC/DC模块的输出电流按照一定的比例输出，并在负载端达到恒定的电压输出结果。

该方式的调整具有均流效果好，易DC/DC模块实现准确均流的特点。

图1系统框图

2系统理论分析与计算

基于本系统要求，选择BUCK降压电路进行DC-DC降压变换变换，利用电压驱动型脉宽调制控制芯片TL494作为控制核心，该芯片包含了开关电源控制所需的全部功能。

2.1控制电路的分析与计算

本系统的控制电路图如图2所示，脉宽调制控制芯片TL494可推挽或单端输出，工作频率为1--300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。

芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。

电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。

TL494

图2TL494典型电路图

TL494的振荡频率取决于公式

（1）,

······

（1）

经过试验，当

=25.7kHz时，整个系统的效率较高。

故选取

=9.1k,

=4700p可得到所需的振荡频率。

2.2DC/DC电路的分析和计算

本系统的DC/DC主回路的核心电路如图2所示，为降压型变换器原理电路变形电路，它由处于开关状态的三极管、快速回复二极管和低通滤波器LC组成。

图3开关电路核心电路

当三极管Q1闭合时，假设三极管导通电阻为零，则A点电压VA等于输入直流电压VI二极管D因反偏而截止，VA向L1充电，通过L1的电流随时间增长。

当Q1断开时，L1中的电流开始减少，相应产生的反极性的感应电动势，导致D1管道通，VA下降到零，因此，VA是幅度为VI的周期性重复脉冲波形。

若假设Q1的闭合和断开时间分别用ton和toff表示，则vA的平均值为

······

（2）

式中，T=ton+toff为开关周期，d=ton/T为脉冲占空系数。

显然，这个平均值就是通过L1C5低通滤波器在负载端上产生的输出直流电压

实际上，在VO上还叠加了因滤波特性不理想而残留的纹波电压。

2.3模块并联均流方式的分析与计算

本系统的双DC/DC采取的并联均流方式如图4所示，两个DCDC模块的反馈电压输入由并联端负载引入，可实现对输出电压值的恒定，恒定的电压值由反馈电位器Rw来调整。

当输出电压产生预设目标值的偏差，电位器Rw的输出值会产生变化，通过调整输出占空比，实现将输出电压值稳定在预设的目标值。

整个并联均流电路的工作过程是，两个DC/DC模块在输出电路上各接一个1欧姆的康铜丝电阻欧姆的水泥电阻，在两个康铜丝电阻的前端引出在两个水泥电阻的前端引出，将两个模块的电流信号接入同相差分放大器，放大倍数取100倍。

将放大输出后的两支路上由于电流差异引起的电压差信号，电压信号加在三极管的基极经差分放大器放大后的由NPN三极管组成的放大电路，反馈至TL494的比较器输入端1脚，形成深度负反馈，与输出的电压值共同作用，稳定输出的电压和平衡DCDC模块2端的输出电流。

当两并联模块的输出电流不相等时，经取样电阻后，将不平衡电流差值转换成一一对应的电压差值，通过调整当中一路DCDC模块的输出电压，提高较低输出的电流值，降低较高输出的电流值，直到两路模块的输出电流比例为既定值为止。

图4DC/DC模块并联均流框图

2.3不同比例输出电流调整的分析与计算

如图4所示，取样电阻R1两端并联电位器R7，获取流经取样电阻的电流的比例值，与R3端电流取样比较，通过由LM358构成的差分放大电路，放大输出相应的取样信号，并控制NPN三极管的放大状态，改变TL494比较器输入端的电压，调整输出的占空比，实现电压自适应，直到平衡臂两端的电流值等于设定的比例为止。

3系统总体电路

3.1系统总体电路图

系统总体电路图，如图5所示，系统的总体电路图包含1个供电电路，1个电流电压检测电路，2个DC/DC转换电路。

图5系统总体电路框图

双DC-DC并联模块在+24V的供电电压工作下，给负载提供稳定的恒压输出，并由电流反馈模块对并联模块进行反馈控制，通过调整电流反馈模块，使两个DC/DC模块的电流按照一定比例输出。

3.1.2电流电压反馈电路原理图

图6电流电压反馈电路图

该电路以双运放LM358为核心器件，通过采样取样电阻R1和R3两端的电流差，转换为对应电压值反馈给DC/DC电路，进行电流的调整。

3.1.3负载短路保护

本系统的负载短路保护及自动恢复采取的方案是在负载端接入16V/4.5A的自恢复保险丝，当负载短路时，自恢复保险丝进入保护状态，限制输出电流的增加。

该电路简单易实现，此处不详细说明。

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

1、调整负载电阻值额定功率工作状态，测量供电系统的直流输出电压Uo。

2、在额定功率工作状态下，测量供电系统的输入电压和输入电流，和负载电阻两端的电压Uo和Io。

3、调整负载电阻，保持输出电压UO变，使IO分别为1A与1.5A，测量I1和I2的值。

4.2测试条件与仪器

测试条件：

多次检验电路，部分仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，无法仿真的电路则制作实物或搭面包板进行检查。

检查无误后，硬件电路保证无虚焊，无短路。

测试仪器：

60MHz双通道数字示波器，函数发生器（10MHz，DDS），直流稳压电源，四位半数字万用表。

4.3测试结果及分析

4.3.1测试结果（数据）

1.额定输出功率16W*2/8V的输入输出数据表如表1所示

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

Uin（V）

24

24

24

24

Iin（A）

0.262

0.449

1.493

1.601

Uout（V）

8.02

8.01

6.17

7.7

Iout1（A）

0.237

0.433

1.603

1.525

Iout2（A）

0.284

0.503

1.691

1.588

PIN=UIN*IIN=38.16W

POUT=UOUT*I0UT=23.70W

=POUT/PIN=62.10%>60%

2.调整负载电阻，测量数据如表2所示

表2

1:

1

I1（A）

I2（A）

Iin（A）

U0（V）

U2（V）

0.237

0.284

0.262

8.02

24

0.433

0.503

0.449

8.01

24

1.603

1.691

1.493

6.17

24

1.525

1.588

1.60

7.7

24

1:

2

I1（A）

I2（A）

Iin（A）

U0（V）

U2（V）

0.148

0.342

0.252

8.02

24

0.341

0.687

0.5

8.01

24

0.533

1

8

24

1.214

2.124

1.767

7.6

24

1:

3

I1（A）

I2（A）

Iin（A）

U0（V）

U2（V）

0.25

0.758

0.495

8.01

24

0.913

2.293

1.737

7.55

24

1:

4

I1（A）

I2（A）

Iin（A）

U0（V）

U2（V）

0.08

0.411

0.253

8.02

24

0.199

0.818

0.501

8.02

24

0.774

2.613

1.920

7.6

24

4A

I1（A）

I2（A）

Iin（A）

U0（V）

U2（V）

1.517

1.581

1.590

7.65

24

4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

基本达到了第一点和第二点的基本要求，达到了一部分的扩展要求，有待进一步努力。

综上所述，本设计达到设计要求。

参考文献

1、曲学基等。

新编高频开关稳压电源。

北京：

电子工业出版社，2005

2、钱振宇等。

开关电源的电磁兼容性。

北京：

电子工业出版社，2005

3  、 马忠梅等。

单片机的C语言应用程序。

北京：

北京航空航天出版社，2007

附录1：

电路原理图

1.双DC-DC原理图电路

2、电流电压采样反馈电路