开关电源模块并联供电系统

2011年全国大学生电子设计竞赛开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】队员:谭海龙冯力方张超洋指导老师:甘德成学校:宜宾学院2011年9月3日开关电源模块并联供电系统（A题）摘要：本设计采用超低功耗单片机MSP430F247为主要控制核心部件，应用同步BUCK拓扑结构作为高效率的DC-DC变换；设计并制作了开关电源模块并联供电系统。

应用AMSCS原理和ECM控制模式实现动态均流控制；使用电流并联监视器件INA194作为电流检测；使用高效率TPS5430芯片设计辅助电源。

实现了系统在500mA-4A范围内可自动分配或者手动任意预制两路DC-DC模块的电流比大小并显示相关参数。

系统元件少，性价比高、系统效率高达85%以上、很好的完成了基本部分和发挥部分的要求。

关键字：MSP430F247；AMSCS；ECM；动态均流；效率；AbstractThis design uses the low power consumption MCU, MSP430F247 ,as the main control the core part and uses the application of synchronous BUCK topology structure as high efficiency of the DC-DC transform .The design is made up of the switch power supply module parallel power supply system and uses AMSCS principle and ECM control model to achieve dynamic all flow control. The design uses current parallel surveillance devices, INA194, as electric current detection and successfully uses a high efficiency chip, TPS5430, to design auxiliary power supply. Finally the design realized that current can be set range from 500 mA to 4 A automatically or manually arbitrary distribution prefabricated a DC-DC module of the currentsize ,and can display related parameters. The system is consist of less component, higher performance price ratio, especially the system efficiency is as high as 85% above. So the system accomplished the basic part and the expression part successfully.Key word: MSP430F247; AMSCS; ECM; Dynamic all flow; Efficiency;目录1.系统方案设计与论证 (2)1.1 DC-DC变换器方案论证 (2)1.2 均流控制方法及实现方案 (2)1.3 系统整体框图 (3)2.理论分析与参数计算 (3)2.1 DC-DC变换器稳压方法 (3)2.2 电流电压检测分析与计算 (4)2.2.1 电压检测 (4)2.2.2 电流检测 (4)2.3 均流方法的分析 (5)2.4 过流保护及自恢复分析 (5)3.电路与程序设计 (5)3.1 电路设计部分 (5)3.1.1 DC-DC电路设计 (5)3.1.2 电流采集电路设计 (6)3.1.3 辅助供电模块设计 (6)3.2 程序的设计 (7)4.系统测试 (8)4.1 测试方法 (8)4.2 测试仪器清单 (8)4.3负载调整额定功率测试 (8)4.4系统效率测试 (9)4.5 4A均流测试 (9)4.6 任意比分流点测试 (9)4.7过流保护及自动自恢复功能 (10)4.8其它功能测试 (10)4.9 误差分析 (10)5．总体结论 (10)6．参考文献 (11)附录 (12)1.系统方案设计与论证1.1 DC-DC变换器方案论证【方案一】：采用异步BUCK变换器，该拓朴结构简单，只需对一个开关管进行控制，因此控制思路非常简单。

但由于在大电流时，异步BUCK电路中的续流二极和开关管的功耗增加，成为电路中的主要功耗，这会使电路工作在大电流时的效率降低,故不采用此种结构。

【方案二】：采用正激式变换器，该变换器为隔离型电路，通过变压器将输出与输入进行电气隔离，其控制方法与方案一类似。

但由于变压器绕制过程复杂且会使电路系统效率降低。

对于输出为8V的电压的电源系统，隔离问题并不是设计中的主要问题，因而变压器的优点在该系统中并未充分的体现，还会大大增加系统设计的成本，故也未采用此方案。

【方案三】：采用同步BUCK变换器，由于采用MOS代替异步BUCK电路中的续流二极管，因此在低压大电流中的其效率非常高。

此电路虽要控制两个MOS 管，但采用一片浮栅驱动就可以当作一个管子来控制，所以控制也很简单。

根据上述的比较以及结合设计的实际需要，我们选用方案三。

1.2 均流控制方法及实现方案【方案一】：并联强迫均流。

利用监控模块实现均流，由监控模块获得所有并联模块的平均电流值，再通过软件计算，用并联平均电流值与模块电流值进行比较，比较后的结果用来补偿电压基准，调整模块电压，使模块电流值与系统平均值电流相同。

此方案易于实现,均流精度高，但其瞬态响应较差,调节时间长。

【方案二】：运放反馈均流。

主电路通过电压反馈稳定输出电压，从电路通过运放检测主从两路的电压差控制输出电压，使得两路压差为零，从而达到了均流的目的。

该方案的实现与运放的参数有关，运放反馈回路的电容、电阻不好匹配。

【方案三】：用单片机实现动态均流。

通过单片机实时采集两路DC-DC模块的电流和负载电压，然后通过内环电流外环电压，软件模拟硬件最大值均流的算法控制两路DC-DC模块PWM波形的占空比来调节电流。

该方案优点控制精度高、外围电路简单，用软件模拟硬件，成本低，整个系统的效率高。

根据上述三种方案的比较结合题目的控制要求最终选择方案三实现均流控制。

1.3 系统整体框图 MSP430F247显示键盘负载声光报警辅助电源供电模块PWM 控制ADC 12采集A 路B 路P W M 控制电流采集模块8V 电压采集24V 输入两路并联同步BUCK图1 系统整体框图该系统的工作原理是单片机产生两路PWM 控制两个DC －DC 模块，采用电压反馈电路实现了电压的实时采集控制单片机的定时器产生相应占空比的PWM 波形稳定输出电压；该系统应用AMSCS 原理和ECM 控制模式实现动态均流控制实现了电流任意比的设置与显示。

2.理论分析与参数计算2.1 DC-DC 变换器稳压方法本系统采用同步整流技术实现了DC-DC 变换器，在连续电流输出的模式下，其输出-输入电压变换比为：OUT IN V V D =D 为输出PWM 的占空比，由此式2-1可以求得输出PWM 的占空比017.025.0244.08±=±=VV V D 单片机通过电压反馈回路采集输出电压的大小然后通过算法实时调节占空比使输出电压稳定在8V ±0.4的范围内。

为了保证精确控制电感量的计算，计算公式如下：I O min ON O U U L []T 2I -=⨯⨯I U -输入电压，Uo-输出电压,Io-输出电流，ON T -开关管导通时间。

由上式可得min 248L 0.000250.0005714571.42 3.5H uH -=⨯==⨯经过验证电感值取575uH 。

2.2 电流电压检测分析与计算系统使用单片机自带的12位A/D,根据A/D 转换器的分辨率公式有，分辨率为1211 3.340.822ref n V V mV ⨯=⨯=Vref-单片机供电电压，n-AD 位数，可见内置A/D 完全可以满足设计的需求。

2.2.1 电压检测该系统的电压检测比较简单，只需一个电阻分压网便可实现。

其原理图如图2，采样电压Vo ′如下：)/()*('b f f O R R Vo R V +=图2 电阻分压网络2.2.2 电流检测根据系统的均流方案的要求，需对两路DC-DC 模块中的电流分别进行采集。

由于两路DC-DC 模块是并联连接，所以只能采用高测的方式来检测电流。

这种方式不但克服了低测方式只能测出两路DC-DC 模块总电流的缺点，还避免了系统中的数字部分的高频噪声对电流检测的影响，提高系统的稳定性。

因为数字电路在0和1间切换，导至电流是动态的，这将在地平面上形成高频噪声，从而影响模拟部分的精度。

当系统正常工作时，在输出端的电流检测点有8V 的共模电压，所以采用的电流检测运放的共模输入电压范围必须大于24V 。

这里可采用差分放大器OPA2234或专用电流检测器INA194，他们的共模输入电压范围都大于8V 。

但要使OPA2234的共模输入电压范围大于8V，OPA2234的供电电压必须大于8V，而且当采用12V供电时，线性度在采样电压的两极限值附近变坏。

然而INA194是专用的电流临测器，在5V供电时共模输入电压范围高达80V,还可以避免在调试过程中因输出电压升高而烧坏芯片。

此外，它的瞬态响应快，特别适合闭环系统中的快速检测。

所以在此选用INA194。

2.3 均流方法的分析本系统的均流是通过软件模拟硬件实现最大值均流法，充分利用了ECM（外置控制器模式）易于实现动态交叉处理和AMSCS（最大值均流技术）的优点。

在硬件最大值均流法中，一般用一个二极管把各路电流与均流母线上的电流进行比较，从而选最大电流，这种方式的优点响应迅速，但缺点是分流比固定，缺乏灵活性。

本系统采用的ECM方式，克服了这样的不足，能灵活地实现任意分流比。

系统采用MSP430F247作为控制核心，内置的ADC12分别对A路、B路电流和输出负载电压U进行采集。

通过软件代替硬件方式中的二极管，选择出最大流，并通过MSP430F247内置的TimerA产生相应的PWM去控制相应BUCK中的浮栅驱动器。

PWM的占空比可通过软件任意设计，从而实现任意比分流。

2.4 过流保护及自恢复分析单片机实时采集输出电流的大小,然后与过流保护阈值比较，当采集的电流大于电流阈值时，单片机停止输出PWM使DC-DC模块停止工作，然后以一定时间间隔采用试触法采集输出电流，当采集的电流低于阈值电流，则单片机按上电时刻设定的占空比输出PWM使DC-DC重新工作。