00-开关电源模块并联供电系统(A题)--整体报告(完整版)

开关电源模块并联供电系统报告

摘要：本装置由2个BUCK电路构成的DC-DC模块、PWM控制模块和单片机控制模

块、过流保护模块等4个部分组成。2个BUCK电路分别构成恒压源和恒流源。恒流源控制一条并联支路的电流维持恒定，恒压源控制输出电压恒定在8V，并提供分流部分电流，从而实现并联开关电源任意比例的均流。软件根据检测的输出总电流及预置的比例系数改变恒流源的给定量，并通过实时监测负载电流实现4.5A 阈值过流保护功能。本系统实现了两个额定输出功率均为16W 的8V DC/DC 模块构成的并联供电系统，且能在一定输出电流范围内对两个DC-DC模块按指定的比例自动分配电流，供电系统的效率超过60% ，完全满足题目基本和发挥部分的要求。

关键词：并联供电、均流、BUCK斩波电路、恒压源、恒流源

一、系统方案

1、方案设计与论证

1）DC-DC转换方案论证与实现

鉴于此系统输入为直流电24V，输出为直流电8V。故采用降压斩波电路。

方案一：采用TI 公司的PWM 控制芯片TL494，驱动P沟道MOS 管IRF9630。TL494内部集成两个误差放大器，通过反馈能对PWM信号的占空比进行调节，内部自带5V基准，能够对输出电压实现精确控制。

方案二：采用TI 公司的集成芯片TPS5430。该芯片内部集成110 mΩ的MOS 开关管，效率高达95%，输出电流最高3A，能够满足题目的要求。该芯片固定为500KHz 开关频率，可以采用较小的滤波电容、电感消除纹波。而且此芯片只需要配合少许外部元件便可精确、稳定地得到输出电压。

由于本电路每个DC-DC模块要达到的额定功率为16W，电流工作范围为0.5A~2A，而TPS5430的开关管集成在芯片内部，不利于散热，因此我们采用TL494驱动P沟道MOS管的方案。

2）均流控制方案论证与实现

方案一：输出阻抗法即Droop(下垂，倾斜)法调节开关变换器的外特性倾斜度(即调节输出阻抗)，以达到并联模块接近均流的目的。这种方法是一种简单的大致均流的方法，精度比较低。下垂法的特性曲线如下图所示。

图1、下垂法及特性曲线

方案二：最大电流均流法（自主均流法）。该方案采用Load-share controller(负载共享控制器)UCC29002 实现。在DC-DC模块正常工作时，将两路UCC29002的均流母线连接，此时UCC29002将会自动选出电流最大的一路，并将此路电源作为主电源。均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电源的UCC29002 接收到母线上的信号后，会控制该路DC-DC 模块稍稍提高输出电压。通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。并且该方案可通过十分简单的电路完成任意路并联均流，且支持热插拔。

图2、UCC29002内部控制框图

方案三：主从均流法。主从法的均流思想是在并联电源系统中，人为的指定一个模块为主模块，直接连接到均流母线，其余的为从模块，从母线上获取均流信号主模块工作于电压源方式，从模块的误差电压放大器接成跟随器的形式，工作于电流源方式。因为系统在统一的误差电压下调整，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等。采用这种均流法，精度很高，控制结构简单，模块间联线少，易于拓展为多路。缺点是一旦主模块出现故障，整个系统将瘫痪。

方案一可实现近似均流，但精度难以达到题目要求。而方案二采用UCC29002 的不均流度最佳小于1%，能较好的满足题目要求。综合考虑对于本系统只有两路电源，而且又采用DC/DC 芯片设计，系统不确定因素少，所以可靠性很高，又主从均流法精度很高，设计简单，成本低，所以我们采用方案三实现均流。

3）、电流检测电路方案论证与实现

方案一：采用精密仪表放大器INA128采样电流信号，经放大后经AD采样换算成相应的电流值。INA128为低功耗精密仪表放大器，采样电流的线性度较好，其差分输入方式可以在一定程度上消除共模干扰。但是INA128必须双电源供电，而系统要求所有的供电都由+24V电源提供。

方案二：采用专用的高侧电流监视器INA168，其输入共模电压可以高达+60V，当康铜丝选取为0.1欧时，可以测量0~5A以内的电流，能够+5V单电源供电，它的输出方式为电流，我们只需接一个采样电阻就可以转换为电压。因此我们采用方案二。

4）、过流保护电路方案论证与实现

方案一：采用硬件过流保护功能，当检测到的电流值超过4.5A的短路阈值电流时，比较器输出高电平切断继电器，当电流值低于4.5A时，继电器又吸合，电路恢复工作。但是为了避免继电器频繁切换，必须经过一定的延时后再控制继电器吸合，因此增加了电路的复杂性。

方案二：采用软件过流保护功能，电流检测值超过4.5A时单片机控制继电器断开，经一定的软件延时后再控制继电器吸合。延时时间可以由软件任意设定，

增加了控制的灵活性。因此我们选用方案二。

2、系统方案描述

本系统通过PWM控制与驱动芯片TL494驱动P沟道MOS管IRF9630构成BUCK斩波电路进行DC-DC转换。系统对负载的电压进行采样并运用反馈调节的方式控制BUCK电路1实现恒压，从而稳定输出电压；对流过BUCK电路2的电流进行采样并运用反馈调节方式控制其实现恒流；同时单片机对负载电流进行采样按分流比例计算后通过DA控制BUCK电路2，从而实现按比例分流。并实时监测负载的电流，实现4.5A短路保护功能。整体系统框图如图1。

图3系统整体框图

二、理论分析与计算

本系统采用TL494驱动P沟道MOS管构成的BUCK电路，其电容电感参数计算如下。

1、电感L的确定

在连续和不连续之间有个临界状态，此时

将上式整理得：

要保证电路工作在连续工作模式必须使，一般取1.2倍的裕量。

(2)电容C的确定

流经电容的电流是()，由于对电容的充放电产生的纹波电压，

于是

开关管的峰值电流为：

开关管的耐压值为：