吳雪峰，劉教瑜，王晨光

(武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

電源是電力電子設(shè)備的核心，其可靠性與性能將直接影響到整個(gè)電力設(shè)備的性能。但是隨著設(shè)備的升級(jí)與性能的大幅度提升，其對(duì)電源的要求也越來越高，單一的電源供電已經(jīng)無法滿足許多高功率設(shè)備的要求了。采用多個(gè)低功率輸出電源的并聯(lián)是一種有效的方法[1]，本文基于此提出了一種新型的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)。

開關(guān)電源的并聯(lián)不能簡(jiǎn)單的將輸出端直接的并聯(lián)。因?yàn)閮蓚€(gè)電源模塊在各個(gè)性能參數(shù)上不可能完全匹配，特別是輸出電壓[2]。如果直接的并聯(lián)，輸出電壓高的將會(huì)把輸出電壓低的作為負(fù)載，在空載的情況下，這是很不安全的。而且在帶載情況下兩電源的電流輸出也可能不會(huì)均等，這在重載情況下可能會(huì)出現(xiàn)一方嚴(yán)重過載而另一方還未達(dá)到額定狀態(tài)的現(xiàn)象[3]。因此保證輸出電壓穩(wěn)定、保證各個(gè)電源模塊電流均衡是通過并聯(lián)方式增大電源功率方案的基本要求。

1 并聯(lián)供電的技術(shù)分析

1.1 并聯(lián)均流方法

目前成型的多并聯(lián)均流方案有許多種，常用的均流方法有:下垂法、主從設(shè)置法、外部控制電路法、平均電流型自動(dòng)均流法及最大電流自動(dòng)均流法等[4]。

主從模塊設(shè)置法是將所有并聯(lián)的模塊分為主從兩個(gè)部分，主控模塊配被一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)各并聯(lián)模塊的輸出電壓值;余下的部分為從模塊部分，它們工作在電流反饋模式下。這種方法能夠及時(shí)調(diào)整各模塊的輸出特性參數(shù)，限制波動(dòng)值的大小，均流效果很好。原理圖如圖1所示。

圖1 主從模塊法原理示意圖

圖1中，模塊1為主模塊，模塊2為從模塊(圖1為主從模塊設(shè)置法的最簡(jiǎn)形式，在一般情況下，主模塊只有1個(gè)，但是從模塊可以有多個(gè))。模塊1屬于電壓控制型，模塊2屬于電流控制型。Vr與Vf分別為主模塊的基準(zhǔn)電壓與反饋電壓，二者的差值Ve為誤差電壓，Ve與Vi1的比值大小用于控制PWM的脈寬產(chǎn)生輸出電壓，控制驅(qū)動(dòng)器的工作。主模塊的電壓誤差Ve經(jīng)跟隨器輸入從模塊，這樣就保證了主從模塊的調(diào)整參數(shù)的一致性，從而實(shí)現(xiàn)了均流。

1.2 同步整流技術(shù)

目前開關(guān)電源的效率越來越高，成熟的集成芯片如LM2576，其開關(guān)效率達(dá)70%以上。但是在電流較大的場(chǎng)合時(shí)，續(xù)流二極管由于正向?qū)▔航递^大，如果輸出電壓較高，損耗將會(huì)很大。因此開關(guān)電源的輸出電壓均較低。同步整流技術(shù)則采用低導(dǎo)通電阻的功率MOS管代替續(xù)流二極管，這樣在保證效率的同時(shí)，又進(jìn)一步的降低了功率。

本文提出的是一種基于主從模塊設(shè)置均流法的改進(jìn)方法，并聯(lián)供電系統(tǒng)采用電壓、電流反饋控制，同時(shí)在此基礎(chǔ)上加入控制器，可以設(shè)定各個(gè)模塊的電流值，以滿足在實(shí)際情況下需要人為設(shè)定各個(gè)模塊負(fù)載電流大小的要求。在并聯(lián)供電的各個(gè)開關(guān)電源模塊中應(yīng)用同步整流技術(shù)，降低開關(guān)電源在低壓輸出時(shí)續(xù)流二極管上的功率損耗。

2 并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案綜述

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如下圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)通過PWM控制與驅(qū)動(dòng)芯片TL494驅(qū)動(dòng)N溝道MOS管IRF540N構(gòu)成BUCK斬波電路進(jìn)行DC－DC轉(zhuǎn)換。將外部24 V直流電經(jīng)過DC－DC恒壓模塊轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣? V電壓給負(fù)載供電。系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的電壓進(jìn)行采樣并運(yùn)用反饋調(diào)節(jié)方式控制實(shí)現(xiàn)恒定電壓輸出;對(duì)流過恒流模塊的電流通過康銅絲采樣電阻和放大電路進(jìn)行采樣，并通過反饋調(diào)節(jié)控制其電流恒流輸出;同時(shí)單片機(jī)通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換采集負(fù)載電流，按分流比例計(jì)算后通過DA控制從路模塊，從而實(shí)現(xiàn)按比例分流。另外系統(tǒng)可以根據(jù)鍵盤的輸入選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例模式或手動(dòng)調(diào)節(jié)電流比例模式，并在液晶上實(shí)時(shí)顯示輸出的電壓，電流等數(shù)據(jù)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

DC－DC恒壓模塊電路如圖3所示，本模塊采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由TL494、IR2110組成。TL494是一款可調(diào) PWM頻率的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)PWM占空比的芯片。TL494電路主要輸出可調(diào)占空比的12 V PWM波形，PWM波形的輸出通過CD4069反相器分別接到專用驅(qū)動(dòng)集成電路芯片IR2110的高低輸入口。驅(qū)動(dòng)電路交替驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)DC－DC降壓輸出。并聯(lián)均流的各個(gè)開關(guān)電源模塊均采用同步整流技術(shù)，用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET來取代續(xù)流二極管以降低續(xù)流二極管上的損耗，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功率損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率[5－6]。電路圖如圖3、圖4所示。

DC－DC恒流本模塊采用電流跟隨模式，它的基本理和設(shè)計(jì)參數(shù)基本與DC－DC恒壓模塊一樣。不同是恒壓模塊以自身輸出電壓作為反饋電壓;而在從模塊中，將電流經(jīng)高側(cè)電流監(jiān)視器INA168采樣轉(zhuǎn)換為一定比例的電壓信號(hào)連接到反饋段與基準(zhǔn)值比較。單片機(jī)可以通過DA給定來控制恒流模塊從而得到設(shè)定的電流值。電路如圖5所示。電流采樣電路采用專用的高側(cè)電流監(jiān)視器INA168， 其 輸入共模電壓可以高達(dá) +60 V，當(dāng)康銅絲選取 0.1 Ω時(shí)，可以測(cè)量0－5 A以內(nèi)的電流，能夠+5 V單電源供電。其電路圖如圖6所示。

圖7 軟件流程圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起到很大作用，軟件設(shè)計(jì)流程是，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，默認(rèn)設(shè)定一個(gè)分配比例，之后進(jìn)入設(shè)定界面，設(shè)定電流分配比例值和過流保護(hù)電流大小，之后進(jìn)入總運(yùn)行狀態(tài)，本系統(tǒng)除了提供一般的顯示、按鍵控制功能外，其優(yōu)越點(diǎn)在于加入了軟件PID調(diào)節(jié)[7]，與硬件PID調(diào)節(jié)相比，軟件PID調(diào)節(jié)更加方便，與第一層反饋電路配合，減少了電路復(fù)雜度，軟硬兩層反饋回路，提高了系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性。同時(shí)系統(tǒng)還通過軟件對(duì)輸入單片機(jī)的電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，提高了采樣精度和準(zhǔn)確度。程序流程如下圖7。

3 測(cè)試結(jié)果與總結(jié)

3.1 測(cè)試方法

測(cè)試框圖如圖8所示，通過鍵盤設(shè)定電流輸出比例，查看電流表2和表3的值，即能驗(yàn)證實(shí)際輸出電流比例的大小，同時(shí)讀取電壓表的值，計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的效率。

圖8 測(cè)試框圖

3.2 結(jié)果分析

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1

表1 并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過測(cè)試的結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)具有該系統(tǒng)具有調(diào)整速度快，精度高，電壓調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有液晶顯示功能，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的并聯(lián)供電。

4 結(jié)束語

并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)必須引入有效的負(fù)載分配控制策略，以防止并聯(lián)系統(tǒng)電流分配超出了各個(gè)模塊開關(guān)電源負(fù)載能力。本文提出了一種新型的基于電壓電流反饋控制的開關(guān)電源并聯(lián)供電方法，將同步整流技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)開關(guān)電源模塊，在DC/DC變換器中用用通態(tài)電阻低的專用功率MOSFET來取代續(xù)流二極管。并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按設(shè)定比例分配電流和在輸出低壓時(shí)仍能高效供電的目的，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]馬駿，杜青，羅軍，等.一種開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)均流技術(shù)的研究[J].電源技術(shù)，2011，35(8):969 －971，973.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.《電力電子技術(shù)》(第5版)[M].西安:西安交通大學(xué)，機(jī)械工業(yè)出版社.2011.

[3]沙占友，王彥朋，于鵬.同步整流技術(shù)及其在DC/DC變換器中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(12):723 －727.

[4]韋聰穎，張波.開關(guān)電源并聯(lián)及其均流技術(shù)[J].電氣自動(dòng)化，2004，26(2):13－14.

[5]謝勤嵐，陳紅，陶秋生.開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)[J].艦船電子工程，2003，23(4):75 －78.

[6]高玉峰，胡旭杰，陳濤，等.開關(guān)電源模塊并聯(lián)均流系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù)，2011，35(2):210 －212.

[7]魏英智.數(shù)字PID控制算法在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(17):157－159.