基于UCC29002电源均流器设计.docx

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基于UCC29002电源均流器设计

分类号：

TN86UDC：

D10621-408-（2013）0366-0

密级：

公开编号：

2009024017

成都信息工程学院

学位论文

基于UCC29002的电源均流器设计

论文作者姓名：

黄宇航

申请学位专业：

雷电防护科学与技术

申请学位类别：

工学学士

指导教师姓名（职称）：

蒋守光（副教授）

论文提交日期：

2013年06月01日

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：

日期：

2013年6月01日

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）

签名：

日期：

2013年6月01日

基于UCC29002的电源均流器设计

摘要

随着电力电子技术的发展，大功率电源的需求不断提高，应用不断广泛，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，单台开关电源无法满足低电压大电流的负载要求，开关电源向更大功率方向发展。

本设计以STC12C5A60S2单片机作为控制器，采用了两片TPS5430开关电源芯片，构成了两路DC—DC电路，使得输出的5V的电压。

通过两片负载共享控制芯片UCC29002作为均流芯片，构成两路均流电路。

单片机控制TPS5430的使能端，关闭系统输出，实现过流保护的作用。

整个系统具有电路简洁，输出电压范围大、负载效应很小，电源效率高，稳定可靠的特点，并具有过流保护作用及自动恢复功能，很好的达到题目的各项要求。

关键词：

均流，UCC29002，TPS5430，STC12C5A60S2

BasedonUCC29002PowerConverterDesign

ABSTRACT

Withthedevelopmentofpowerelectronics,thetechnologyofpowerisgraduallybeingperfect.Switchingpowergothehigherpowerway,forthatsinglemodeonesarenotabletoloadthelowvoltageandlargecurrentequipment.

thestructureismadeofstcmcuforcontroler.while2piecesofswitchingpowerchips（tps5430）,comstruct2channelsofdc-dccircuit.andtheSTC12C5A60S2microcontrollercontroltheTPS5430-enabledclient,sothatprotectthesystemfrombeingoverload.usingUCC29002tostablizethe2currentcircuits.Thesystemisperfectinlargeoutputvoltagerange,highprecision,highstabilityandincurrent-limitingandauto-resume.

Keywords:

Automaticcurrent,UCC29002,TPS5430,STC12C5A60S2

第一章绪论

1.1电源的发展状况及意义

随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,电源技术也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。

进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展，电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新。

开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

电源是电子设备的心脏部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性能，而且设备故障的百分之六十都跟电源有直接的关系。

因此，电源越来越受到人们的重视。

现代电子产品的使用的电源大致有开关稳压电源和线性稳压电源两大类。

所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，这种稳压电源的缺点是变换效率低，一般只有35%--60%；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%--95%。

在随着电源的不断发展，大功率电源的需求也在不断提高，应用不断广泛，单台开关电源无法满足低电压大电流的负载要求。

大量的电子设备，特别是通讯、空间站等的广泛应用，要求组建一个容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。

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。

如果采用单台电源供电，变换器势必处理巨大的功率，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。

并且一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃。

研制各种各样的大功率、高性能的开关电源成为趋势[1]。

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。

采用多个电源模块并联运行，来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向。

并联系统中每个模块处理较小功率，解决了上述单台电源遇到的问题。

八十年代，分布式电源供电方式成为电力电子学新的研究热点。

相对传统的集中式供电，分布式电源利用多个中、小功率的电源模块并联来组建积木式的大功率电源系统。

在空间上各模块接近负载，供电质量高，通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载，系统设计灵活、更高的开关频率、高功率密度、低重量、小体积、单个模块电流应力小、可方便的实现冗余、可靠性高、维护方便、易于实现产品标准化等[1]。

并联均流技术可以降低电流应力，提高电源的可靠性，是实现大功率电源的关键和发展趋势，近年来，已成为电力电子研究的热点课题。

近几年来，各式各样的开关电源以其小巧的体积、较高的功率密度和高效率越来越得到广泛的应用。

随着电力系统自动化程度的提高，特别是其保护装置的微机化，通讯装置的程控化，使得对电源的体积和效率的要求在不断提高。

电源中磁性元件和散热器件成了提高功率密度的巨大障碍。

开关频率的提高可以使开关变换器（特别是变压器、电感等磁性元件以及电容）的体积、重量大为减小，从而提高变换器的功率密度。

另外，提高开关频率可以降低开关电源的音频噪声和改善动态响应。

但是由于开关管的通断控制与开关管上流过的电流和两端所加的电压无关，而早期的脉宽调制（PWM）开关电源工作在硬开关模式，在硬开关中功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的，电路的开关损耗很大，开关频率越高，损耗越大，不但增加了热设计的难度而且大大降低了系统得可靠性，这使得PWM开关技术的高频化受到了许多的限制。

根据高频电力操作开关电源的设计要求，结合实际的经验和实验结果选择合适的开关器件，设计出稳定可靠、性能优越的控制电路、驱动电路、缓冲电路以及主要的磁性元器件。

对最大电流自动均流法的工作原理以及系统稳定性进行了较为深入的研究。

采用均流控制芯片UCC29002设计了电源的均流控制电路，使模块单元具有可并联功能，可以实现多电源模块并联组成更大功率的电源系统。

1.2论文的选题和研究内容

1.2.1作品的简介

1、设计目标

设计并制作直流稳压电源，两路并联输出，自动实现输出电路均衡。

2、详细指标要求

（1）输出特性要求

单路输出电压Vout：

+5V；

输出电压范围：

±10%；

输出纹波：

基本部分要求不大于250mV；单路输出功率：

5W；

（2）保护功能要求

单路输出过流保护点:

1.2~1.3A，故障解除后能够自动恢复。

（3）均流特性要求

两路并联使用时，能够实现自动均恒电流。

发挥部分对均流控制的要分电流相差不得大于15%。

1.2.2开关电源的并联均流运行模式及原理要求

开关电源发展到现往，品种越来越多，功能越来越强，根据各种负载对供电可靠性要求的不同，开关电源有三种运行工作模式[1]：

方式1：

集中式单机运行模式，这种方式是只有一个电源给负载供电。

方式2：

并联运行模式，这种方式是利用了多台电源（至少俩台以上电源）并联起来给负载供电，这样每个电源可以平均承担负载功率。

方式3：

并联冗余运行模式，采用多台电源模块并联，但方式3与方式2的区别在于：

其中并联的N台电源是给负载提供所需电源，而另外n台并联电源是作为后备电源，防备当工作模块出现故障时，后备模块即可投入运行，这使我们的电源可以继续正常工作。

上面所介绍的三种运行模式都有其缺点和优点，比如：

方式1其整个结构很简单，成本低，但不足的地方是在运行中由于受其他的一些因素影响，容易发生差错，所以可靠性不高；而方式2相对方式1来说并联多个的电源，这样所要的成本就比较高，而且在运行时如果有一路电路发生故障时，由于还有其它的电路为负载提供电源，因此不会严重影响负载正常运行，但是最大供电能力就会有所降低；方式3成本是这三种方式中最高的，它是由N+n（N>1，n>1）台的电源结合成的电源，当其中N台电源发生故障时，由于它还有n台电源做后备，所以电源仍能提供负载所需的全部功率，这种方式可以说是最稳定的，不会对电路的正常工作照成影响。

并联运行是电源技术的发展方向之一，并联技术是实现组合大功率电源系统的关键。

并联运行的各模块特性不一致，可能使电压调整率小的模块承担较大的电流甚至过载，热应力大；外特性较差的模块运行于轻载其至是空载。

其结果将会使得电源可靠性降低，寿命也会减小。

因此需要实现均流措施，来保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止单个模块运行在电流极限值状态。

那么并联均流要有以下这几点基本要求[1]：

①各模块实现的电流能自动平衡，实现均流；

②控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。

为提高系统可靠性，并联系统应该具备以下特性：

实现冗余，当任意模块发生故障时，其余模块继续提供足够电能，整个电源系统不会崩溃；

③输入电压和负载变化时，输出电压保持稳定，且均流瞬态响应好。

第二章基于UCC29002电源均流器的方案论证

2.1设计的总体方案

本次设计介绍了直流电源均流源的原理，设计思路及方法：

整个系统以STC12C5A60S2单片机为控制器，采用了两片TPS5430开关电源芯片，构成了两路DC/DC电路。

利用TPS5430的4脚VSENSE对地电压值能够稳定在1.221V的特性，将4脚作为电压参考点，通过与串联电阻分压网络相连接，实现5V稳压输出。

使用5毫欧采样电阻对两路并联电路进行电流采样，并选用两片负载共享芯片UCC29002的配合使用，通过调节上路电路中连接在UCC29002的1脚与8脚之间的电位器，使上下两路对称，实现均流输出。

利用STC12C5A60S2单片机来控制TPS5430的使能端，当ENA脚上的电压超过极限电压时转换器和内部的软启动开始工作,低于极限电压，转换器停止工作，软启动开始复位,实现过流保护的作用设计方案的总体框图，如图2—1所示。

图2—1总体设计方案的框图

2.2各模块设计方案的选择

2.2.1单片机最小系统的选择

在本次设计中，使用的单片机是STC12C5A60S2，利用STC12C5A60S2单片机来控制TPS5430的使能端，当ENA脚上的电压超过极限电压时转换器和内部的软启动开始工作,低于极限电压，转换器停止工作软启动开始复位，实现过流保护的作用。

1、STC12C5A60S2的简介

图2—2STC12C5A60S2

本设计采用了传统MCS-51系列单片机的增强型STC12C5A60S2芯片，STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。

单片机最小系统[2]：

（1）51单片机最小系统复位电路的极性电容的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，在复位电路中选取的是22uF的电容，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

（2）单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

此设计中，运用的是11.0596MHz晶振。

（3）单片机最小系统起振电容一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

最小系统的原理图设计如下图所示：

图2—3单片机最小系统

图2—4复位电路

2、7805稳压电路：

这是一个输入12V电压，输出正5V直流电压的稳压电源电路，为单片机提供5V的电压，集成电路（IC）采用集成稳压器7805，C1、C2为输入端的滤波电容和C3、C4为输出端滤波电容。

电路如下图所示：

图2—57805稳压电路

3、放大模块：

通过硬件测得当负载电流为1.2A的时候，UCC29002CSO脚的电压值为参考电压，由于此电压值比较小，因此经过放大器对它经行放大[3]，通过电位器可对放大倍数经行调整，再反馈给单片机经行判断是否过流，从而起到过流保护作用。

图2—6运放模块

2.2.2开关电源模块方案的选择

方案一：

电源芯片采用美国国家半导体的LM2596—ADJ

LM2596系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它是一款降压型的PWM调节方式的开关稳压电源的芯片，内部振荡源频率150KHz，最大输出电流3A，输入电压3.5~40V，输出电压：

1.23~37V；转换效率：

75%~88%和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路：

过流保护电路、过热保护（热关断）电路等。

利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

它通常被作为恒压电源应用，此时，其通过电压取样电压反馈稳压方式达到稳定电压的目的，提供有：

3.3V、5V、12V及电压可调（-ADJ）等多个电压档次产品。

它的内部框图如下图2—7：

图2—7LM2596内部框图

可调电压输出的电路原理图如下图2—8：

图2—8电路原理图

其工作原理是：

此电源芯片的4脚Feedback端的电压稳点在1.23V，5脚ON/OFF端由逻辑电平来控制芯片的打开和关断，1脚为输入端，2脚为输出端，芯片通过调整输出脉宽来使4脚电压稳定在1.23V，通过改变R2的值就可以改变输出电压的大小，影响电压输出的就是R1，R2的取值，现我们通过改变由R1,R2组成的反馈电路来实现我们所要设计的稳压源的电路。

，Vref=1.23V（2—1）

方案2：

开关稳压芯片TPS5430

TPS5430是TI（美国德州仪器公司）最新推出的一款非隔离型的降压DC/DC转换芯片，TPS5430具有良好的特性，最大电流输出：

3A；宽电压输入：

5.5—36V；固定500kHz转换速率；高的转换效率：

最佳状况可达95%；宽电压输出范围：

最低可调整到1.221V;具有过流保护及热关短功能；有使能端；内部有软启动。

与LM2596芯片相比较，可见TPS5430芯片的转换效率更高，因此，在本次设计中DC/DC模块芯片选择了TPS5430，这样使得效果更好。

2.2.3均流电路模块方案的选择

方案一：

外加均流控制器法

外加均流控制器法是每个模块的控制电路中都加一个特殊的均流控制器，用以检测并联各模块电流不平衡情况，调整控制信号Ve以实现均流，如下图所示。

均流控制器SC的输入为反映模块负载电流的信号V1，由电流放大器供给，SC的输出Vc与基准电压Vref和反馈电压Vf综合比较后，输出Ve经电压放大器，控制PWM及驱动器，各均流控制器的另一端b接均流母线。

应用这一方法实现自动均流，可使n个并联模块的电流不均衡度在5%以内。

均流控制器的引入，将使得并联电源系统的动态过程分析更加复杂，但如果不注意均流控制环的正确设计，将使系统不稳定，或者使系统动态性能变坏。

图2—9外加均流控制器法

方案二：

平均电流均流法

平均电流法[1]是指并联各模块的电流放大器输出端a通过一个电阻R接到公用均流母线上，如图2—7所示，图中，V’r是基准电压Vr和均流控制电压Ve的综合，它与反馈电压Vf进行比较放大后，产生误差电压Ve来控制PWM及驱动器，均流母线电压Vb与每个电源模块的取样电压信号比较后通过调节放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流目的。

平均电流法可以精确地实现均流，但具体应用时，会出现一些特殊问题。

例如，当均流母线发生短路，接在母线上的任一个模块不能工作时，母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至到达其下限值，结果造成电源系统故障。

而当某一模块的电流上升到其极限值时，该模块的电流放大器的输出信号V1大幅度增大，也会使它的输出电压自动调节到下限。

图2—10平均电流法

方案三：

主从设置法

主从设置法[1]是在并联的n个变换器模块中，并自行指定其中一个为主模块，其余的为从模块，跟从主模块分配电流，如下图2—9所示。

图中各模块均为双环控制系统，主模块为电压型控制工作方式，从模块为电流型控制工作方式。

主模块的基准电压Vr与输出反馈电压Vf经过电压误差放大器得到误差电压Ve，它是主模块的电流基准，与V11比较后，产生控制电压Vc，控制脉宽调制器和驱动器工作。

于是主模块电流将按电流基准Vc调制，即模块电流近似与Ve成正比。

各从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，主模块的电压误差Ve输入各跟随器，于是跟随器输出均为Ve，它即是从模块的电流基准，因此各从模块的电流都按同一值Ve调制，与主模块电流基本一致，从而实现了均流。

主从控制法均流的精度很高，但由于从模块的电压误差放大器接成跟随器的形式，所以从模块的工作与主模块的系统工作是息息相关的，从下图中可以看出。

所以其存在的最大缺点是一旦主控电源出现故障，整个系统将会完全失控，整个系统也就即将瘫痪。

另外，由于系统在统一的误差电压控制下，任何非负载电流引起的误差电压的变化，都会导致各并联电源电流的再分配，从而影响均流的实际精度。

通常希望主控电源电压取样反馈回路的带宽不宜太宽，主从电源间的连接应尽量短。

图2—11主从设置法

方案四：

最大电流均流法

最大电流法[1]是在n个并联的模块中，自动设定主模块和从模块，通过均流控制母线其中输出电流最大的模块电源上的电流被自动作为整个电源系统的单路电流基准，其余模块电源以它为基准来调整自身的输出电流。

同时，由于是以最大电流为基准，如果其中一个电源模块出现故障不工作，在满载输出范围内，总电源系统会重新分配各输出电流继续正常工作而不会受到影响，这也是避免了平均电流均流法的问题。

最大电流法，总的来说是一种电压型控制方法，它主要通过调整输出电压的大小来调整输出电流，如下图2—12所示。

图2—12最大电流均流法

通过三种方案进行比较，发现最大电流均流法可以较好地实现冗余，不会因为某个模块的故障而影响整个系统的运行，故在此次设计中，我们选择了最大电流均流法，还运用了负载共享芯片UCC29002来实现均流模块。

第三章硬件原理分析与设计

3.1DC/DC转换模块

3.1.1TPS5430芯片简介

TI公司的TPS54xx系列芯片[4]是非隔离型的降压DC/DC转换芯片，该系列的芯片具有转换效率高，输入电压范围宽，输出电流大，工作频率高（能够减小外围器件的尺寸和成本）等优点。

其中TPS5430是该系列的典型代表。

其输入电压范围是5.5V到36V，最低输出电压为1.2V，正常输出电流为3A（峰值为4A），开关频率为500kHz，最高效率可达95%。

TPS54xx系列芯片的工作频率都是固定在500kHz,最大效率均可达到95%，属于高效转换型芯片。

TPS54xx系列芯片主要有以下几种：

TPS5410、TPS5420、TPS5430、TPS5431。

前三者的输入电压都是5.5V到36V,输出最大电流依次为1A、2A和3A（注意，这里的电流参数是输出电流，不是开关峰值电流，不须再用公式转换）。

TPS5431输入电压范围是5.5V到23V，最大输出电流为3A。

芯片的选型要保证芯片参数能够承受得住设计的要求，最好要有一定的裕度。

但也不要过大，例如我们只需要0.3A的电流，而我们采用TPS5430，这时我们只能达到低于90%的效率，而采用TPS5410，却可以达到95%以上的效率，而且更经济。

所以芯片的选型要能够满足要求又要合理。

这里我设计的要求是输入电压是10V，输出电压是5V，输出电流是2.5A。

所以我们采用TPS5430。

1、TPS5430性能及主要参数：

高电流输出：

3A（峰值4A）；

宽电压输入范围：

5.5~36V；

高转换效率：

最佳状况可达95%；

宽电压输出范围：

最低可以调整降到1.221V；

内部补偿最小化了外部器件数量；

固定500kHz转换速率；

有过流保护及热关断功能；

具有开关使能脚，关状态仅有17uA静止电流；

内部软启动与其他同类型直流开关电源转换芯片相比，TPS5430的高转换效率特别值得关注。

2、功能和结构：

（1）管脚说明：

TPS5430采取8脚SOICPowerPADTM封装，形式如图3—1所示。

图3—1TPS5430封装

（2）内部结构及功能：

①晶振频率。

固定500kHz转换速率，使得在同样的输出波纹要求下产生更小的输出电感。

②基准电压。

通过缩放温度稳定能隙带电路的输出范围，基准电压系统产生精确的基准信号。

经测试，在允许的温度范围内，1.221V电压输出时能隙带和缩放电路保持平衡。

③使能脚和内部软启动。

当ENA脚上的电压超过极限电压时转换器和内部的软启动开始工作，低于极限电压，转换器停止工作软启动开始复位。

ENA脚接地或电压小于0.5V时转换器停止工作，ENA脚可以悬空。

④欠压锁定.

TPS5430带有欠压锁定电路。

无论在上电或掉电过程中，只要VIN（输入电压）低于极限电压，转换芯片不工作。

欠压锁定比较器的典型迟滞值为330mV。

⑤启动电容

在BOOT脚和PH脚间连接0.01μF的陶瓷电容，为MOSFET的高端提供门电压。

⑥外部反馈和内部补偿

输出电压通过外部电阻分压被反馈到VSENSE脚。

在稳定状态