开关稳压电源报告.docx

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开关稳压电源报告

2011年A题开关电源模块并联供电系统

夏良飞李保珠郭冰骅

2011年8月31日-9月3日

摘要

本文重点介绍了采用电力电子和最大电流均流法（民主均流法、自动均流法）检测技术等进行DC/DC电源转换与均流的系统设计与实现方法。

通过完整的硬件设计，实现了竞赛课题的基本部分和提高部分的功能要求。

系统硬件由两个模块组成，即DC/DC降压模块、均流模块与系统保护等功能。

本系统考虑保护电路由软件方式设计会造成系统设计进一步复杂化，因此决定采用纯硬件方案。

本系统在硬件设计及具有创新和独特之处：

（1）DC/DC降压模块，通过24V直流稳压电源作为信号源，利用均流模块的电压反馈控制DC/DC模块的输出电流。

（2）均流模块通过检测没个模块的电流，电流均衡母线确定哪个并联模块的输出电流最高，并把它定为主模块，再根据主模块的电流调节其他模块的输出电流，使并联运行的电源模块单元工作在所设定的电流值上，从而实现均流，精度可达小于3%

该系统经过调试，达到了系统各项指标要求，且稳定可靠。

系统简捷，灵活实用。

关键词：

直流稳压电源DC/DC最大均流法

目录

1．系统方案选择和论证-----------------------------------------------1

1.1课题任务及要求--------------------------------------------------1

1.1.1总体任务---------------------------------------------------3

1.1.2指标及功能要求--------------------------------------------3

1.2系统方案选择与描述----------------------------------------------4

1.2.1系统方案选择――――――――――――――――――---―------4

1.2.2系统方案描述-----------------------------------------------4

1.2.3模块功能及方案论证――――――――――――-――――――-----7

2．系统的硬件设计与实现----------------------------------------------10

2.1主回路的设计----------------------------------------------------10

2.2系统单元模块的设计----------------------------------------------11

2.2.1DC/DC降压模块的设计――――――――――――――――――-----11

2.2.2均流模块的设计――――――――――――――――――---―--12

3.系统调试及评价----------------------------------------------------16

3.1测试条件--------------------------------------------------------16

3.2单元测试结果----------------------------------------------------16

3.3系统总体性能----------------------------------------------------20

4．总结-----------------------------------------------------------------17

参考文献----------------------------------------------------------------17

附录:

------------------------------------------------------------------18

1.系统方案选择和论证

1.1课题任务及要求

1.1.1总体任务

本课题的任务是设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统。

框图如下图所示。

图1.1

1.1.2指标及功能要求

基本部分:

（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压U0=8.0±0.4V。

（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于60%。

（3）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和I0=1.0A且按I1:

I2=1:

1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于5%。

（4）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=1.5A且按I1:

I2=1:

2模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。

发挥部分:

（1）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使负载电流IO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，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。

（2）调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和IO=4.0A且按I1:

I2=1:

1模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于2%。

（3）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。

（4）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4.5A（调试时允许有±0.2A的偏差）。

（5）其他。

说明

（1）不允许使用线性电源及成品的DC/DC模块。

（2）供电系统含测控电路并由Uin供电，其能耗纳入系统效率计算。

（3）除负载电阻为手动调整以及发挥部分

（1）由手动设定电流比例外，其他功能的测试过程均不允许手动干预。

（4）供电系统应留出UIN、UO、IIN、I0、I1、I2参数的测试端子，供测试时使用。

（5）每项测量须在5秒钟内给出稳定读数。

（6）设计制作时，应充分考虑系统散热问题，保证测试过程中系统能连续安全工作

1.2系统方案选择与描述

1.2.1系统方案选择

根据题目的基本部分和提高部分的具体要求，系统要求实现直-直变换电源。

有两套方案有待选择：

DC/DC降压模块相同，主要区别在均流模块，在均流模块方案中，纯硬件只需用到负载均流控制器UC3907芯片，而单片机设计方案与纯硬件方案相比较较为复杂繁琐，故而采用纯硬件方案。

1.2.2系统方案描述

根据系统功能和指标要求，研究总体方案，并确定系统硬件主要划分两个部分。

即DC/DC降压部分、均流部分。

此系统由以下两个完全相同的电路并联而成。

图1.11/2系统电路图

图1.2是系统总体结构框

十

取样电阻

一

控制

检测

十

一

取样电阻

控制

检测

图1.2

1.2.3模块功能及方案论证

（1）DC/DC降压模块

根据题目要求，DC/DC降压模块的主要作用是在满足要求的基础上把输入的24V的电压降为8V，且输出电流要达到2A。

方案一：

MC34063A组成的降压式DC／DC变换器电路。

通过匹配RS和RB的大小来调节输出电压的大小，这一点较为容易实现。

但是它的最大输出电流只有1.5A难以满足题目大电流的要求。

图1.3降压型变换器，外接PNP功率管

方案二：

采用ALM2576降压型电路。

LM2576是具有3A电流负载能力的单片转换（Buck）开关型集成电路，有着极好的线性和负载调节特性。

参考原理图如下图所示：

图1.4

综合考虑，方案二比较容易达到题目要求，所以我们采用方案二。

（2）均流模块

为了满足大容量通信设备的要求，通信开关电源通常都由许多开关整流模块并联而成。

这样就要求每个开关整流模块内都加入负载均流电路，以保证电源系统正常工作时各模块的输出电流基本平衡。

否则可能造成几个模块供给全部负载电流，其他模块空载运行，从而使几个模块严重过载，大大降低电源系统的可靠性。

并联均流的基本方法很多：

方法一：

输出电压调整法

在并联电源系统中，调整某台电源模块的输出阻抗，即可实现负载均流。

这种方案的的缺点是：

负载电流较小时，均流效果不很理想。

负载电流增大后，均流作用有所改善，但各电源模块的输出电流仍不平衡。

同时，为了实现较好的均流效果，每台电源模块都必须单独调整。

采用这种均流方法后，电源模块的负载调整率也将下降。

方法二：

主从电源模块控制法

在并联运行的电源模块单元中，选定一个电源模块单元作为主电源模块，其余电源模块作为从电源模块。

主电源模块工作于电压源方式，而从电源模块工作于电流源方式，电流值可独立设置。

在这种方式下，一旦主模块失效，则整个系统崩溃，显然不具备冗余功能。

方法三：

平均电流自动均流法

均流总线连接所有的电源模块，每台电源模块的输出电流都通过电流监控器转换为控制电压Vc，并经过电阻加到均流总线上。

均流总线上的电压Vbus等于所有模块Vc的平均值，Vbus与每台电源模块的控制电压Vc之差加到调整放大器的输入端。

某台电源模块的输出电流变化时的控制电压Vc也变化，调整放大器的输出电压变化，从而使该电源模块的基准电压变化，因此可调整该模块的输出电流，实现负载均流。

这种方案精度比较高，但是当模块的输出电流达到限流值后，总线电压较高，将使开关电源模块的输出电压降到最低值。

此外，若均流总线短路或者总线上其他模块出故障，都会使电源模块的输出电压过低。

方法四：

外接控制器法

使用一个外加的均流控制器，比较所有模块的电流，调节相应的反馈信号实现均流。

这种控制方法效果较好，但需要一个外加的均流控制器和附加连线。

方法五：

热应力自动均流法

利用监测电源系统中每个电源模块单元的温度来实现均流，使其温度高的模块单元输出电流小，温度低的电源模块输出电流大。

方法六：

最大电流自动均流法

方法六：

最大电流自动均流法

图1.5平均电流法自动均流控制电路原理图

这种方法采用一套最大值比较器，每一时刻输出电流最大模块作为主模块，其输出电流转化成的电压信号Ui送至均流母线CSB，即CSB上的电压Ub反映的是各模块单元中Ui的最大值，即电流最大值。

各从模块的Ui与Ub比较从而自动调节输出电流达到均流。

输出电流最大的模块的电流与其他模块的电流比较，其差值经调整放大器放大后，调整模块内的基准电压，以保证负载电流均匀分配。

该电路与平均电流自动均流控制电路的差别只是用二极管代替电阻，而且只允许电流最大的模块的电流取样电压加到均流总线上。

其他模块的电流取样电压低于均流总线上的电压，二极管不能导通。

这种方法可使从属模块具有良好的均流作用，但是由于二极管Vd的影响，主模块的负载电流将产生一定误差。

在某些负载均流控制器中（比如UC3907）,一偶那个单向缓冲器取代二极管，可以降低主控模块输出负载电流的误差。

综合考虑，采取UC3907实现的方案六。

（实际应用中，UC3907的并联均流效果较好并且应用也最广泛。

）

2.系统的硬件设计与实现

2.1主电路

2.2系统单元模块的设计

2.2.1DC/DC降压模块的设计

（1）理论分析

降压部分由LM2576DC/DC转换器构成主回路；基本原理是：

LM2576芯片内部含有一个产生52KHz的振荡器振荡器，产生的信号与固定增益误差放大器的输出电压通过比较器相比较促使开关管不断地导通与截止，从而形成矩形波信号，通过电感和电容的储能和滤波作用，使输出电压达到稳定状态；控制部分的基本工作原理是：

LM2576的输出端电压反馈到固定增益误差放大器同相输入端，与固定增益误差放大器的反相输入端的基准电压相比较，从而控制开关管的导通与截止。

（2）测试电路图如图2.1

Vout=Vref*（1.0+

）

Vref=1.23V

图2.1

（3）理论计算

参考公式：

电压要求：

Vout=8V，给定R1=1K，得出R2=5.6K

电流要求：

①Vout=8V，I=

=16w/8v=2A

②Vout=8V，R=8Ω，I=1A

③Vout=8V，R=5.3Ω，I=1.5A

2.2.2均流模块的设计

（1）理论分析

UC3907均流控制芯片能使并联运行的电源模块单元工作在所设定的电流值上，均流精度可达2.5%。

工作原理如下：

UC3907检测相应电源模块单元的输出电流，每个电源模块单元的输出电流信号反馈放大后送至均流母线CSB上，按最大电流均流控制原理控制各单元模块的输出电流调节，从而达到均流目的。

图2.2UC3907内部工作框图

图2.3UC3907的控制框图

（2）电路图

图2.4

（3）理论计算

I总

I1

I2

I1/I2

1A

0.5A

0.5A

1:

1

1.5A

0.5A

1A

1:

2

4A

2A

2A

1:

1

3．系统调试及评价

3.1测试条件

硬件设备：

计算机、MCS51仿真器、示波器、信号发生器、稳压电源、滑线电阻器、万用表等

3.2单元测试结果

（1）单个DC/DC模块测试结果

负载

输入

输出

效率

功率

空载

电压

电流

电压

电流

η

P0

PE

10Ω

23.7V

0.32A

8.175V

0.818A

87%

6.6w

7.85w

5Ω

23.7V

0.63A

8.023V

1.64A

88%

14.931w

13.15w

3.3Ω

23.7V

0.96A

7．990V

2.4A

85%

19.34w

22.75w

（2）测试结果分析

测试结果显示：

输出电压8.175V，输出电流，效率均达到题目要求

4.总结

经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和散热方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。

本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。

电子设计竞赛的组织为我们大学生提供了良好的科学研究和科技制作的机会，使我们收益非浅，收获很大。

衷心地感谢大赛评委，今后我们会更加努力丰富自己，发挥潜能，培养团队精神，学会做人、做事、做学问

参考文献

[1]王鸿麟景占荣通信基础电源.先电子科技大学出版社，2001年，第二版

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）.北京：

北京理工大学出版社，2003年

附录:

一、元器件清单

元件清单

1．单个DC/DC测试模块

器件名称

型号

数量

直流降压调节器

LM2576-ADJ

1

电解电容

47μF/35V

1

散热片

2

电解电容

1000μF/25V

1

电阻

1k

2

电阻

5.6k

1

电感

220μH

1

电容

2200p

6

电容

0.1μF

2

2.系统元件

器件名称

型号

数量

负载均流控制器

UC3907-ADJ

2

直流降压调节器

LM2576-ADJ

2

散热片

2

电解电容

100μF/25V

2

电解电容

47μF/35V

2

电解电容

1000μF/25V

2

电阻

1k

4

电阻

20k

2

电阻

1.5k

2

电阻

3.9k

2

电阻

13k

2

电位器

5k

2

电位器

1k

2

电容

0.1uF

10

电容

2200pF

2

红色发光二极管

普通

2

大功率电阻

1Ω

8

二、系统图片：