基于STM32单片机的开关电源并联供电系统

摘要

本系统以STM32单片机为主控制器，以TL494为核心，设计并实现一开关电源并联供电系统。系统由稳压模块、PWM驱动模块和同步BUCK斩波电路构成的DC-DC模块单片机显示控制模块四部分组成。在AD采集到由电流互感器CSM006NPT的感应电压后，单片机通过TL494的PWM波控制两个恒流源实现了输出电压恒定以及对输出电流任意比的控制。本系统通过场效应管IRF3205代替续流二极管减小损耗从而提高电源效率，并且利用TL494死区引脚实现过流关断，有效的保护了电路，经测试，系统能够实现基础部分所有要求。

关键词：TL494；并联供电；同步BUCK斩波；恒流源；恒压

一、方案设计

1、方案比较与论证

（1） DC/DC拓扑结构

方案一：采用传统降压拓扑结构

LM2596输出电压1.2V~37V可调，输出最高电流可达3A，输出线性好负载可调，系统效率高，可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电，具有过流保护功能，经调节后完全可实现题目的基本要求。但是LM2596内部电阻导通电阻相对较大，同时续流二极管的损耗较大，只能作为开关电源稳压模块，不满足系统对DC-DC模块高效率高效率的要求。

方案二：采用同步整流BUCK结构

采用具有同步整流的BUCK结构，利用MOS管IRF3205代替二极管续流，IRF3205是具有极低阻抗（开态电阻为8ｍΩ），电压典型值为55V，电流续流连续110A，175℃运行温度，具有快速转换速率，无铅环保等优点。考虑到系统MOS 管导通电阻低，效率比传统BUCK高，为了满足扩展部分效率尽可能高的要求，本作品选用同步BUCK拓扑结构。

（2）均流控制方案

方案一：主从法

在并联运行的电源模块单元中，选定一个工作于电压源方式电源模块单元作为主电源模块，另一个工作于电流源方式电源模块作为从流电源模块。主模块直接调整电压，从电源模块设置电流分配。但是在这种方式下，一旦主模块失效，则整个系统崩溃，不具备冗余功能。

方案二：平均电流自动均流法

这种方法不用外加均流控制器，在个电源模块单元间接一条公共均流母线CSB，均流母线的电压Ub为N个电源模块代表各自输出电流的电压信号Ui的平均值（即代表电源系统的平均电流）。Ub与每个电源模块的取样电压比较后，通过调整放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流的目的。平均电流法可以精确的实现均流，但当公共母线CSB发生短路或接在母线的任一电源模块单元不工作时，使CSB电压下降，结果促使个电源模块输出电压下

调，可能达到下限值，引起电源系统故障。

方案三：恒流源并联电流反馈控制法

采用两个恒流源直接并联方式，通过AD采样电流互感器的感应电压，转化为电流反馈给单片机，单片机最后通过TL494的PWM波控制输出电流的比例份额及大小从而控制输出电流和电压，形成一种闭环电流反馈控制模式。同时恒流源并联可实现冗余热备份功能。因此最终使用方案三。

（3）过流保护

方案一：软件控制方法。通过采样电阻两端的电压计算出Io值，经A/D转换模块将电流值反馈给单片机，当检测电流值超过4.5A时将TL494芯片的4脚拉高，降低PWM波占空比为0，使输出电流减小。

方案二：电流互感器采集反馈电压，转化为支路电流，当两路DC模块电流和大于4.5A时，将DA预置值设置为2.5V，即将输出电流设置为0A.

方案二：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于4.5A时，自恢复保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路。电流降低后可恢复正常工作。

综上，我们采用方案一和方案二两种过流保护相结合的方式，确保能够起到过流保护的目的。

2、总体方案

（1）总体思路

以STM32单片机为控制器，通过键盘可设置负载电压值和两条并联BUCK电路输出电流比。在电流互感器CSM006NPT采样到反馈电流和AD采集到负载电压后，单片机通过TL494输出PWM波的占空比的改变控制两个恒流源的BUCK电路输出，从而达到控制输出电流比和输出电压恒定。

（2）系统总体框图

（8V

DC/DC1(恒流模式)

（K）

图1系统总体框图

二、 理论分析计算

1、BUCK 并联恒流源电流分配

由于电流源可以并联，根据负载R 电压为8V 固定，可知负载R 上电流为BUCK 电路并联两恒流源电流之和，同时根据设定支路一与支路二电流比为K ，可知：

I 总=8R （欧姆定律）

I 总=1I +2I (基尔霍夫电流定律KCL)

K =12I I 得：1I =

8(1)K R K +；2I =8

(1)

R K + 即为两BUCK 并联支路恒流源电流设定值。

上电系统初始化后，两个BUCK 支路电流默认按1:1方式步进增加直到AD 采

集的负载电压为8V ，通过检测按键得出K （电流比例）值变化，在保证电压在一定范围变化下先粗调再细调两支路电流值最终确保两支路电流按设定比例输出。

2、电压电流精度计算

STM32单片机内置12位ADC 和12位DAC ，基准电压源为内部3.3V ，电压精度可以达到0.81mv ，远远小于0.4V ，同时，霍尔式直流互感器CSM006NPT 准确的动态性能误差0.3125 2.5U I =+，AD 采集偏差0.81mv 最大会导致2.48mA 电流误差，而题目发挥部分电流相对误差绝对值不大于2%，即允许电流误差最小为0.5A*2%=4mA ，满足题目对电压和电流精度的要求。

３、开关频率的选择

考虑到单片机的效率和为减小开关管的损耗，使开关管工作于音频以上，同时为了防止两个模块电路出现差拍，本作品将两个模块的PWM 信号错开5KHz ，通过10K 滑动变阻器与103（10000PF ）电容调节TL494工作频率，从而控制两路恒流源开关管分别工作于20KHz 和25KHz 频率。

4、 滤波电容的选择

根据设计需求，f L 输出滤波电感选取100uH ，o U ∆为输出允许纹波电压小于100mV ，s f 为开关管工作频率，两路DC 模块分别取20KHz 和25KHz ，o V 为输出额定电压值8V ，D 为工作占空比，系统稳定后占空比D=50%。由

f 2

o

(1)C 8U o

f s D V L f -=

∆，求得两路电容值分别为124uF 和79.86uF,分别取125uF 和100uF 电解电容。