開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)3

1、賽題號(hào)：A 參賽隊(duì)號(hào)：20110092 開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)摘要: 在電源的實(shí)際使用過(guò)程中，各種負(fù)載對(duì)于供電的可靠性要求不同，當(dāng)單臺(tái)電源不能提供負(fù)載的全部容量的時(shí)，就需要多個(gè)電源模塊并聯(lián)使用，以提高電源的容量和運(yùn)行的可靠性。在實(shí)際的使用過(guò)程并不是簡(jiǎn)單的把各個(gè)電源并聯(lián)使用就可以讓電源平均承擔(dān)功率。這是由于電源各自參數(shù)的分散性，使得每個(gè)電源的開(kāi)路電壓和內(nèi)阻均會(huì)存在差異，通常開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)阻都非常小，因此開(kāi)路電壓很小的差異就會(huì)導(dǎo)致各電源的輸出電流有較大的差異，這種狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致各個(gè)電源的壽命衰減不一致，達(dá)不到電源的可靠性和穩(wěn)定性的要求，這就要求在電源并聯(lián)使用過(guò)程中使用均流技術(shù)。對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，環(huán)流會(huì)

2、造成毀滅性災(zāi)難，無(wú)論你的設(shè)備是計(jì)算機(jī)還是通信系統(tǒng)。有些工程師缺乏對(duì)環(huán)流的正確認(rèn)識(shí)，因?yàn)樵谠韴D上一般用一個(gè)接地符號(hào)或公共符號(hào)表示所有電路的返回路徑。初級(jí)工程師經(jīng)常錯(cuò)誤理解這個(gè)符號(hào)，認(rèn)為它代表零阻抗。情況并非如此，接地符號(hào)只表示你原理圖上的一種線路。如果接地連接中的電流足夠大，或者變化得足夠快，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的電壓，該電壓可能影響到電源的精度。另外，在儀表應(yīng)用中，該電壓還會(huì)造成測(cè)量誤差，數(shù)字系統(tǒng)工程師必須努力應(yīng)對(duì)接地彈跳問(wèn)題。音頻緩沖器會(huì)出現(xiàn)可怕的接地環(huán)路中的環(huán)流效應(yīng)，它會(huì)引起蜂鳴和哼聲。關(guān)鍵詞：BUCK DC-DC變換 LM2576 LM331 PWM調(diào)壓 Abstract: In the

3、 power of the actual use of the process, various load for power supply reliability requirements are different, when a single power supply can not provide the full load capacity, we need more power modules in parallel, in order to improve the power supply capacity and reliability.In actual using proc

4、ess it is not simple to various power supply in parallel using can make the power to bear an average power. This is due to the power source to the respective parameters of the dispersion, such that each power supply voltage and internal resistance will exist differences, usually switch power source

5、internal resistance is very small, so the open-circuit voltage is a very small difference will lead to the power of the output current has bigger difference, this condition leads to various power lifetime decay inconsistent, amounted to the power supply reliability and stability requirements, this r

6、equires that the power supply in parallel using a process using current technology.For design engineers, circulation can cause catastrophic, whether you device is a computer or communication systems. Some engineers lack correct understanding of circulation, as in the diagram with a grounding symbols

7、 or public symbols representing all circuit return path. Junior engineer often wrong understanding of this symbol, it represents a zero impedance. That is not the case, an earth symbol just means you diagram on a line. If the ground connection of current is large enough, or the change fast enough, w

8、ill produce a large voltage, the voltage may affect the power of the precision. In addition, the instrumentation applications, the voltage will result in measurement error, digital systems engineer must try to cope with the problem of ground bounce. Audio buffer will be terrible in the ground loop c

9、irculation effect, it would cause a buzz and hum.KEY WORD:：BUCK DC-DCtransform LM2576 LM331 PWM booster 引言1）任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為 16W 的 8V DC/DC 模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)（見(jiàn)圖 1）。2） 要求1.基本要求（1）調(diào)整負(fù)載電阻至額定輸出功率工作狀態(tài)，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓UO=8.0±0.4V。（2）額定輸出功率工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的效率不低于 60%。（3）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓UO=8.0 ±0.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之 和 I

10、O =1.0A 且按 I1:I2=1:1模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相 對(duì)誤差絕對(duì)值不大于 5%。（4）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓UO=8.0 ±0.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和 IO =1.5A且按 I1:I2= 1:2模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于 5%。2發(fā)揮部分（1）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓 UO=8.0 ±0.4V，使負(fù)載電流 IO在 1.53.5A之間變化時(shí)，兩個(gè)模塊的輸出電流可在（0.52.0）范圍內(nèi)按指定的比例自動(dòng)分配，每個(gè)模塊的輸出電流相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于 2%。 （2）調(diào)整負(fù)載電阻，保持輸出電壓UO=8.0

11、77;0.4V，使兩個(gè)模塊輸出電流之和 IO=4.0A 且按I1:I2=1:1 模式自動(dòng)分配電流，每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于 2%。（3）額定輸出功率工作狀態(tài)下，進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)效率。（4）具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能，保護(hù)閾值電流為4.5A（調(diào)試時(shí)允許有±0.2A 的偏差）。（5）其他。方案設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)方案論證： （1）. BUCK 型電路實(shí)現(xiàn)方案論證與選擇 方案一：采用 PWM 控制芯片 采用 TI 公司的脈寬調(diào)制控制器 LM331 作為 BUCK 型拓?fù)鋽U(kuò)流的 PWM 控制芯片。LM331的最高工作頻率 300KHz，內(nèi)有兩個(gè)誤差信號(hào)比較器，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓模

12、式和電流模式控制，方便做過(guò)流保護(hù)；但由于 BUCK 型拓?fù)涞?MOS 管驅(qū)動(dòng)需外加上管驅(qū)動(dòng)芯片LM324，而LM324會(huì)有 0.2W 左右的功耗，對(duì)于僅 5W 輸出的電源來(lái)說(shuō)，會(huì)消耗掉 4 個(gè)百分點(diǎn)的效率。方案二：采用LM2576采用 LM公司的 BUCK 型 DC/DC 芯片 LM2576，其最大輸出電流 3A，內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)電路和 1.221V 基準(zhǔn)源，固定工作頻率 500KHz。用 LM2576可使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，系統(tǒng)的可靠性高，且高的工作頻率減小了對(duì)電容和電感的要求，使系統(tǒng)小型化。 綜合考慮，為了使系統(tǒng)有較高的效率和可靠性，我們選擇方案二。（2）.分流方案論證與選擇 方案一：下垂法（Dr

13、oop）（a） 、電路結(jié)構(gòu) （b）、特性曲線 圖一、Droop 法及特性曲線下垂法（又叫斜率法）是最簡(jiǎn)單的一種分流方法，電路結(jié)構(gòu)如圖一（a）。其原理是利用電流反饋信號(hào)或者直接輸出串聯(lián)電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨于一致，達(dá)到分流。由圖一（b）可見(jiàn)，下垂法的分流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。但此方法小電流時(shí)分流效果差，隨著負(fù)載增加分流效果有所改善；對(duì)本系統(tǒng)而言，我們希望外特性斜率越小越好，而下垂法則以降低電壓調(diào)整率為代價(jià)來(lái)獲取均流，該法只適合應(yīng)用在分流精度大于或等于 10的場(chǎng)合；很難達(dá)到 5%的均流效果。 方案二：最大電流法（自動(dòng)分流法

14、） 圖二所示為最大電流法控制框圖，最大電流分流技術(shù)由環(huán)外調(diào)整和母線自主配置相結(jié)合而成，不改變模塊基本單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需在電壓環(huán)外面疊加一個(gè)均流環(huán)，各模塊間接一條分流母線 CSB。因?yàn)槎O管單向性，只有電流最大的模塊才能與均流母線相連，該模塊即為圖二 、最大電流法 主模塊。其余為從模塊，比較各自電流反饋與分流母線之間電壓的差異，通過(guò)誤差放大器輸出來(lái)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓達(dá)到均流。 這種分流方法有專門的分流芯片，如 LM 公司的LM2576，系統(tǒng)可靠性較高。但由于二極管總存在正向壓降，因此主模塊的均流會(huì)有誤差；而且分流是一個(gè)從模塊電流上升并超過(guò)主模塊電流的過(guò)程，系統(tǒng)中主、從模塊的身份不斷交替，各模塊輸出電

15、流存在低頻振蕩，降低了分流的穩(wěn)定性。 方案三：主從分流法 主從法的分流思想是在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，人為的指定一個(gè)模塊為主模塊，直接連接到均流母線，其余的為從模塊，從母線上獲取均流信號(hào)。圖五為采用電壓 環(huán)內(nèi)調(diào)整結(jié)構(gòu)的主從分流法。主模塊工作于電壓源方式，從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式，工作于電流源方式。因?yàn)橄到y(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負(fù)載電流如何變化，各模塊的電流總是相等。采用這種分流法，精度很高，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊間聯(lián)線少，易于拓展為多路。缺點(diǎn)是一旦主模塊出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將癱瘓。綜合考慮對(duì)于本系統(tǒng)只有兩路電源，而且又采用 DC/DC 芯片設(shè)計(jì)，系統(tǒng)不

16、確定因素少，所以可靠性很高，又主從均流法精度很高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，所以我們采用方案三實(shí)現(xiàn)分流。2.理論分析 （1）功率變換電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算：（2）分流拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算：圖中 R7、R8、R9 均為防噪電阻，D1、D2 是續(xù)流二極管，L1、L2為儲(chǔ)能電感，R1 和 R2 為電流取樣電阻，阻值均為 0.05 歐的低溫漂金屬膜電阻，電流信號(hào)通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)后經(jīng)運(yùn)放放大一定倍數(shù)，然后分別送到OP37 的正負(fù)輸入端進(jìn)行進(jìn)一步誤差放大。OP37 的輸出端反饋到從電路的電壓反饋端，由于 OP37 低失調(diào)電壓，所以理論上可以將兩路的電流差控制在 5mA 以內(nèi)。當(dāng)并聯(lián)時(shí)，將開(kāi)關(guān) S1 閉合，如

17、果某個(gè)時(shí)刻從電路電流增加，運(yùn)放的電壓正端(3 端)與負(fù)端（2 端）的電壓差增大，運(yùn)放的輸出端（6 端）電壓升高，此信號(hào)可以起到調(diào)制從電路占空比，使其減小以達(dá)到減小從路輸出電流，即均流的目的；反之，當(dāng)從路電流減小時(shí)，運(yùn)放輸出電壓減小，調(diào)制從路電流增加。儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)要求輕載時(shí)電源工作在電流連續(xù)方式；因?yàn)槿糨p載時(shí)工作在電流斷續(xù)方式，則輸出電壓會(huì)升高，會(huì)影響電源的負(fù)載調(diào)整率。（2） .過(guò)流保護(hù)電路：過(guò)流保護(hù)及自恢復(fù)實(shí)現(xiàn)原理如圖七。圖中 X、Y 端口接采樣電阻 R1 或 R2兩端，INA128 是高精密儀表放大器，電阻 R11 可調(diào)整過(guò)流保護(hù)點(diǎn)的電流值，繼 器的 3 端接STC89C52的使能端 EN

18、。當(dāng)電流達(dá)到保護(hù)點(diǎn)時(shí)，儀放輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器打到 3 端，LM331使能端低電平停止工作，同時(shí)蜂鳴器接通發(fā)出警報(bào)；當(dāng)故障解除后，由于三極管的基極電流非常小，電容C11 的放電速度很慢。C11 的放電電流繼續(xù)維持三極管導(dǎo)通一段時(shí)間。當(dāng) C11 提供電流，三極管截止繼電器打到 2 端，LM331使能有效，電源恢復(fù)正常。（3)LM2576的應(yīng)用電路LM2596系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片 ，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ），和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路：電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。提

19、供有：3.3V、5V、12V及可調(diào)（-ADJ）等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。 (4) V/F變換電路電流變換電路用到了LM331芯片(5) 擴(kuò)流與PWM波電路將輸入端的電流進(jìn)行放大，用PWM波對(duì)輸出的電流進(jìn)行控制5、 作品達(dá)到的性能指標(biāo)： 1.測(cè)試儀器：我們整個(gè)測(cè)試用到了以下儀器： （1）、VC203 型萬(wàn)用表 （2）、雙蹤示波器 （3）、滑線變阻器（2.5A 70) （4）、數(shù)字表頭 （5）、電流與電壓表表頭2、測(cè)試步驟及測(cè)試方法： （1）.輸出電壓測(cè)試方法：電源輸出端接上 70 歐變阻器，工頻變壓器插上電，用 VC203 型萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓值，分別調(diào)節(jié)反饋電阻值，測(cè)量單輸出電壓變化范圍；然后兩路并

20、聯(lián)測(cè)量。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表一。 （2）.負(fù)載調(diào)整率測(cè)試方法：先測(cè)獨(dú)立時(shí)的調(diào)整率，用VC203 型萬(wàn)用表測(cè)空載電壓并調(diào)至 5V 附近并記錄電壓值，然后再用一個(gè)VC203 型萬(wàn)用表作為電流表與變阻器串聯(lián)接入電源輸出端，將負(fù)載阻值由 50 歐勻速變化至滿載，記 錄輸出電壓，計(jì)算出負(fù)載調(diào)整率；并聯(lián)時(shí)方法與獨(dú)立時(shí)相同測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表二。（3） .過(guò)流保護(hù)及自恢復(fù)測(cè)試方法：分別測(cè)試兩路的過(guò)流保護(hù)，將變阻器與電流表串聯(lián)接入輸出端，上電后，勻速減小負(fù)載阻值至過(guò)流，蜂鳴器報(bào)警，記下該點(diǎn)電流值，然后增大負(fù)載阻值，解除過(guò)流狀態(tài)，電路能否恢復(fù)工作。（4） 測(cè)試結(jié)果：主路過(guò)流保護(hù)點(diǎn) 1.213A，故障解除 10 秒后恢復(fù)；從路過(guò)

21、流保護(hù)點(diǎn) 1.272A, 故障解除 10 秒后恢復(fù)。實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)和自恢復(fù)功能。 （5）、電源總效率測(cè)試方法：效率從功率變換后端算起。為了減小由于表的差異對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，我們決定用兩個(gè)萬(wàn)用表先測(cè)量輸出端功率，再測(cè)量輸入端功率。兩路并聯(lián)，用兩個(gè) VC203 型萬(wàn)用表，一個(gè)作為電壓表，一個(gè)作為電流表，變阻器與電流表串聯(lián)，接到輸出端，上電后，調(diào)節(jié)負(fù)載，測(cè)量輸出的電壓 Vo，記錄電壓、電流值；然后斷電，負(fù)載值不變，將電流表串接在功率變換與均流電源之間，再上電，用電壓表測(cè)量輸入電壓，記錄輸入電壓與輸入電流。如此重復(fù)再測(cè)幾個(gè)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表三。 （6）、紋波測(cè)試方法：電源獨(dú)立工作，上電后接上負(fù)載，將示波

22、器探頭分別接 到電源的輸出的正負(fù)端，調(diào)節(jié)示波器至 2mV 檔，然后將負(fù)載從輕載緩慢的調(diào)至重載，記錄下示波器顯示的最大峰峰值 Vpp，即最大紋波。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表四。 、分流測(cè)試方法：用兩個(gè) VC203 型萬(wàn)用表都調(diào)到電流檔，分別串接到主從路的輸出端，然后將主從路并聯(lián)接上變阻器，調(diào)節(jié)阻值從 50 歐姆勻速的變化至滿載，觀察兩個(gè)電流表顯示的電流值，記錄下 0.5A1.5A 之間十個(gè)點(diǎn)的電流值，計(jì)算出均流偏差。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表五。均流偏差計(jì)算公式如下： I 1、 I 2 分別為兩支路電流。 3、測(cè)試結(jié)果： （1）、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍： 最小輸出電流最大輸出電流主路1.505A3.515A從路0.515A2.0

23、13A表一、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍測(cè)試結(jié)果 （2）、負(fù)載效應(yīng)測(cè)試結(jié)果： 空載電壓滿載電壓負(fù)載調(diào)整率主路8.007V8.004V0.06%從路8.006V8.004V0.04%表二、負(fù)載效應(yīng)測(cè)試結(jié)果 （4）、電源總效率測(cè)試結(jié)果： 測(cè)試點(diǎn)輸 入 電 流1(V)輸 入 電 流2(A)輸 出 電 壓(V)輸 出 電 流(A)電源效率1:10.5690.5668.0071.13390.5%1:12.0222.0378.0074.05091.6%1:20.5221.0358.0051.52391.4%1:11.0201.0468.005209991.6%1:11.5201.5188.0033.12792.0%表

24、三、分流偏差測(cè)試結(jié)果 3、誤差分析： 從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，我們?cè)O(shè)計(jì)的作品所有指標(biāo)都已超過(guò)了題目要求，我們每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差的絕對(duì)值在1%以內(nèi)，不大于 2%；效率在75%左右，超過(guò)了要求的60%。但是我們電源分流時(shí)兩路的電流仍有一定的誤差，并非絕對(duì)按比例分流；而且分流偏差變化不是線性的，即輸出電流增大時(shí)，分流偏差不是單調(diào)變化。主要原因是由于我們分流方法是主從分流法，通過(guò)運(yùn)放LM324調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，而運(yùn)放兩個(gè)輸入端不能真正做到“虛短虛斷”，會(huì)存在 30uV 左右的失調(diào)電壓，導(dǎo)致兩路電流必定有一定的誤差；若需要進(jìn)一步減小誤差，則需采用更為精確的比例電流分流法。分流誤差的非單調(diào)變化，主要是由于采樣電阻等分立元件的溫漂及雜散噪聲引起，當(dāng)溫度變化或工作頻率變化時(shí)，電阻會(huì)偏離原來(lái)的阻值，導(dǎo)致運(yùn)放兩端輸入電壓偏離理論計(jì)算值，從而使調(diào)制信號(hào)變化，分流不是嚴(yán)格按比