开关电源模块并联供电系统(A题)

2011年全国大学生电子设计竞赛

设计报告

开关电源模块并联供电系统（A题）

摘要：本供电系统采用开关电源芯片TPS5430 为核心制作的两路DC-DC开关电源，由ATmega16作为系统的主控制电器。利用MAX531加电压放大器接入TPS5430的电压反馈端口，通过单片机控制MAX531改变电路的反馈端，自动控制调节稳定输出电压。进而改变电流，使电流实现自动分配。该系统电路简洁，输出电压稳定，输出电流可调且稳定可靠，纹波小，高效率，具有输出过流保护功能等特点。在实际应用中能解决电流自动分配的问题，具有一定的实用价值。

关键词：DC-DC TPS5430 自动分配电流高效率

一、系统的方案论证

1．电源变换拓扑方案论证

方案一、采用单片机PWM控制

采用单片机产生PWM波,控制N-MOSFET 的导通与截止。根据A/D采样反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在金属壳电阻上取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，而且输出电压不稳定实现起来比较困难。

方案二、采用脉宽调制控制器TL494

该芯片可推挽或单端输出，最高工作频率为300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，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，能实现电流模式控制，方便做过流保护。但由于 BUCK 型拓扑的 MOS 管驱动需外加上管驱动芯片IR2110，而 IR2110 会有0.2W 左右的功耗，会降低系统的效率。

方案三、采用 TPS5430

采用 TI公司的 BUCK 型DC/DC 芯片 TPS5430，其最大输出电流3A，内部集成有驱动电路和 1.221V 基准源，固定工作频率 500KHz，效率高达 95%。用TPS5430 可使电路结构简单，只需要配合少许外部元件便可精确、稳定地得到输出电压，可靠性高，且在高的工作频率减小了对电容和电感的要求。

综合比较，为了能使系统具有较高的效率和可靠性，所以我们采用更为可靠、稳定的TPS5430 芯片作为DC-DC 模块的主器件。

2电流方案论证与选择

方案一、下垂法

下垂法（又叫斜率法）是最简单的一种均流方法，电路结构如图 1 。其原理是利用电流反馈信号或者直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性的斜率趋于一致，达到均流。由图2可见，下垂法的均流精度取决于各模块的电压参考值、外特性曲线平均斜率及各模块外特性的差异程度。但此方法小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善；对本系统而言，我们希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法只适合应用在均流精度大于或等于10％的场合；很难达到 5%的均流效果。

图1 图2

方案二、主从均流法

环内调整结构的主从均流法。把主模块作为基准模块，从模块接入电压放大

器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。控制MAX531输出的电压使电压放大器调节从模块的反馈电压降低，从而调整输出电压使之稳定在规定的范围内。所以不管负载电流如何变化，各模块的电压总是保持相等的。采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少，易于控制。

综合比较，方案二只需通过单片机控制MAX531输出电压改变电压放大器，从而改变模块的反馈电压，使模块通过调整电压达到输出范围，进而改变电流，实现自动分配。因此，我们采用方案二。

3．A/D转换芯片的比较与选择

方案一、采用MAX187

MAX187是串行12 位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受0－5V 的模拟输入。MAX187 为逐次逼近式ADC，快速采样/保持（1.5uS），片内时钟，高速3 线串行接口。MAX187 转换速度为75Ksps。通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号处理器或微控制器通讯。MAX187 有内部基准，优异的AC 特性和极低的电源消耗，能应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。

方案二、采用ATmega16内部ADC

ATmega16内部带有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以 0V (GND) 为基准。另外还支持16路差分电压输入组合，但精度不高。

综合比较，使用MAX187精度远远超过要求，但本系统需要进行4路A/D采样，需要4片MAX187，成本较高，而且电路设计重复，降低了效率。因此，我们采样方案二，既节省了资源，也符合题目精度在4%左右的要求。

二、理论分析与计算

1. DC-DC电源的设计与计算

经过分析题目后，我们决定做两路对称的 DC/DC模块电源给后级供电。题目要求输入电压为24V，输出电压为8.0V，由于 BUCK电路要求接入负载后输出的电压压差小于0.4V，所以采用 TI 公司的开关电源芯片TPS5430,其开关频率为500KHz，内部基准电压 1.221V，通过控制基准电压调整输出电压，使输出稳定，可获得较高效率。电压变换的单路电路如图3所示。

输出电压计算公式：

R1+Res Tap1

Vo=1.221*（1 + ———————）

R2

2. 电流电压检测的设计

网络标签TPS5430_Vsense为TPS5430反馈端，AV为电压放大器的输出端口，RL为负载（滑动变阻器）。电路通过调整输出电压的高低来影响TPS5430的反馈电路，从而使电路的输出进行调节到稳定，如图4所示。

图4 电流电压检测原理图

3. 均流方法的设计

TPS5430反馈电路加R2到地，通过MAX531控制电压放大器降低电压。此时有附加电流流过R1后，Rf点电压下降，从而基准电压也下降，而不再是1.221V。为了使 VSENSE恢复到1.22V，TPS5430将增加PWM脉冲宽度，增加 Uout从而使输出电压稳定，然后提高该路电流输出，达到自动流的目的。

图3输出电压稳压原理图

4.纹波测试方法

两路电源独立工作，上电后接上负载，将示波器的两探头分别接到两路电源的输出端，调节示波器至 mV 档，然后将负载从轻载缓慢的调至重载，记录下示波器