开关电源并联供电系统(很全版本)

课程设计Ⅱ

题   目      开关电源模块并联供电系统      

学生姓名            学号                         

所在院(系)               物 电 学 院                             

专业班级           电信081班                    

指导教师             刘  东                      

完成地点           陕西理工学院                  

2011年 11月28日

康恺

（陕西理工学院物电学院电子信息科学与技术专业08级1班，陕西 汉中 723001）

指导老师：***

【摘要】：开关电源模块供电系统由并联稳压电源和检测控制系统组成。稳压电源使用电压调节器LM2596实现降压，监测控制电路采用ATC51单片机作为控制核心，采集两路电流信号，通过算法分配误差值，修正每一路的电流大小，并显示电流的相对误差。系统的负载电流超过设定值时，启动保护电路切断电源并延时一定时间后自动恢复供电。经测试，供电系统能够较好的实现两路电流分配，效率可以达到70%以上，每路电流的相对误差3%左右。

【关键词】：LM2596；开关电源；并联均流

Switching Power Supply Module Parallel Power Supply System

kangkai

（Grade08，Class1,Majiothe physics electronic information science ,Dept, Shannxi University of the Technology,Hanzhong,723001,Shannxi）

Instructor: Liu don

Abstract: Switching power supply module power supply system was composed of Shunt regulated power supply and control system testing. Power supply used LM2596 regulator to achieve step-down voltage. Monitoring and control circuit based on ATC51 microcontroller collected two current signals, the error value was assigned by the algorithm, the amendment of the current size of each road, and displays the current relative error. System load current exceeds the set value, the start delay protection circuit cut off power and restore power automatically after a certain time. Tested, the power supply system can achieve a better distribution of two current efficiency can reach 70% or more, each current relative error 3%.

Key words: LM2596; switch power; power supply in parallel

引言

开关电源模块并联供电系统在当今工业生产和现实生活中都具有非常重要的作用，可以提高电源效率，提供可靠稳定并且自由分配的输出电流，因此设计此同时具备实用性和科研性的课程设计。

1. 总体设计方案

1.1设计要求

设计并制作一个由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。

1.基本要求 

（1）调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压UO=8.0±0.4V。 

（2）额定输出功率工作状态下，供电系统的效率不低于 60% 。 

（3）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO  =1.0A且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。   

（4）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO  =1.5A且按I1:I2= 1:2  模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于 5%。

2.发挥部分

（1）调整负载电阻， 保持输出电压 UO=8.0±0.4V， 使负载电流 IO在 1.5-3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在（0.5-2.0）范围内按指定的比例自动分配，每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于 2%。 

（2）调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V，使两个模块输出电流之和 IO =4.0A且按I1:I2=1:1 模式自动分配电流，每个模块的输出电流的相对误差的绝对值不大于 2%。 

（3）额定输出功率工作状态下，进一步提高供电系统效率。

（4）具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为 4.5A（调试时允许有±0.2A的偏差） 。

1.2 设计思路

题目要求制作两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块构成的并联供电系统，输出额定电压不变，两模块的电流能根据负载的不同自动分配，且不能使用线性电源及产品的DC/DC模块。LM2596是一个集成的开关电压调节器，外部电路简单，合理的选择外部电容电感等原件，就能实现输出额定功率16W电压为8V的DC/DC模块。由于输出电流要实现自动分配，仅仅通过简单的并联方式还不能完全保证整个扩展后的电源系统稳定可靠的工作。所以必须对电流电压检测后使用均流方法对两个模块的电流进行均流。

1.3方案论证

1.3.1DC-DC电路设计方案选择

方案一：采用PWM控制的高频开关变压器实现。如图1所示，反激式DC/DC变换器开关管（Tr）导通时，变压积能量，截止时输出能量。反激式优点是：结构简单、外围元件少，要扼流圈和续流二极管。输出电压公式：

                                 (1)

求得。并联时，由于是一个 PWM 控制器同时控两路，两路的开关管在高频下始终时导通和关断的，所以电容上始终保持同时充电和放电，因此并联时两路电流始终保持相等；缺点是：变压器存在漏感，将在原边形成很大电压尖峰，可能击穿开关器件；负载调整率差；电源效率低；能量由变压器 T储存，体积较大，而且需要开气隙。

图1 反激式DC/DC电路

方案二：采用开关电压调节芯片LM2596-ADJ实现。LM2596能够输出 3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可调版本可以输出小于 37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需外接少量元件，使用方便。

综上两种方案都能满足电源效率不低于为60%,但是方案一需要使用PWM控制芯片TL494，所接外部器件较多，且需要自制高频开关变压器，性能无法保证；LM2596 芯片作为DC-DC 模块的主器件，具有可靠，稳定的性能，改变外部电阻可以较好的控制，所以采用第二种方案。

1.3.2分流方案选择

方案一：我们分别采用两片 TL494 来为两路电源提供 PWM，当两路并联时，利用其中一片TL494 的一个内部误差放大器对电压进行调节，使其输出稳定在 8V。利用两片高精度差动放大器 INA133 对两路电源的电流进行取样，将取样电压分别送入另一片 TL494 的一个内部误差放大器的正负输入端，通过两片 TL494 的内部误差放大器进行电流电压复合负反馈，从而进行稳压并实现均流。为了电路工作稳定，使误差放大器工作在闭环状态，此时通过调整误差放大器的放大倍数即可调节均流精度，但由于误差放大器的放大倍数有限，只能近似实现均流。

方案二: 最大电流均流法。本方案采用负载共享控制器 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。 

方案三：采用数字控制技术实现分流。利用十位ADTLC1549单片机STCC52检测采样电阻采样输出电流，利用合理的算法对电流进行分配，此硬件电路设计简单，故采用方案三。

1.4系统组成

    本系统采用STCC52作为控制器,由LCD1602显示。;采用IRF540芯片作为开关管对输入电压进行降压控制。同时单片机控制12位的AD芯片对充电电流回路里取样，经AD 转换后显示相关的电流值。系统框图如图2所示：

图2系统框图

系统的整体结构如图2所示。24v直流直接经并联的DC-DC开关电源模块降压到8v给负载供电。单片机控制系统利用AD转换芯片对两路的电流和负载的电压进行采样，并采用合适的分流算法去改变两路开关电源的输出电流。当输出电流大于保护设定值产生过流保护信号切断主电路，然后延时通电并过流检测，直到电路恢复正常为止。

2 单元电路设计

2.1 DC-DC电路设计

用一个LM2596接成可调的输出恒压源，通过改变电阻R2使输出电压为8V的恒压源。再用一个LM2596接成同样地电路，两模块并起来。负载上的电流为两模块的电流之和，可以通过调节负载改变负载上的电流。模块一如图3.

图3 DC-DC电路图

注：反馈线要远离电感，电路中的粗线一定要短，最好用地线屏蔽，调节输出电压的电阻R1、R2要靠近LM2596的4脚。

输出电压的计算可由下式给出

，

其中，  为了确保输出稳定，R1选用标称阻值为1K，精度为1%的电阻。

其工作原理是：此电源芯片的 4 脚 Feedback 端的电压稳定在1.23V，5 脚 ON/OFF 端由逻辑电平来电源芯片的打开和关断,1 脚为输入端， 2 脚为输出端，芯片通过调整起输出脉宽来，脚电压稳定在 1.23V，流入 Feedback 端的电流为零，通过改变 R2 的值就可以改变电压的大小，影响电压输出的就是 R1,R2 的取值，现我们通过改变由R1,R2 组成的电路来实现我们所要设计的稳压源的电路。

2.2 电流检测电路设计

采用10位A/D芯片TLC549，其串行数据接口包括5个：片选输入口 ，串行施密特逻辑输入时钟SCLK，数据输入口DIN，转换数据输出口DOUT。10位A/D芯片TLC549将电路中的电压量转化成数字量，经MCU处理后，与预置的电流值进行比较修正，送去LCD1602显示。

在电路中，TLC549与单片机口相接 P3.5～P3.7口相接，具体电路如图6所示：

图4 电流检测电路图

由于两个模块的各项指标基本一致，所以将两个模块并联后，两个模块均能对负载工作，所以要实现电流1:1分配，只要在额定功率的前提下改变负载，就能实现电流1:1输出。由于负载电阻的阻值很小，为了测量负载上的电流，而且不影响负载功率，所以我们的采样电阻采用大功率的电阻锰铜丝作为采样电阻，A/D选用TI公司的10位串行ADTLC1549，TLC1549C，是10位、开关电容、逐次逼近模数转换器。这些器件具有两个数字输入端和一个 3 态输出端[芯片选择（ CS），输入——输出时钟（ I/O  CLOCK ）以及数据输出（ DATAOUT），它们提供了与主处理器串行端口的3线接口。采样-保持功能是自动的。组合在这些器件中的转换器具有以下特点：易于比率转换的差分高阻抗基准输入，定标（scaling）以及模拟电路与逻辑和电源噪声相隔离。开关电容设计可在整个工作温度范围内（自然通风）实现低误差的转换。

2.3系统控制电路设计

系统控制电路如图5所示，采用ATC51作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、可以通过串口方式将程序快速下载到芯片，方便的实现程序的更新，自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，且ATC51系列单片机的工作电压：2.0V～3.8V，正常工作电流 < 2.7mA，空闲模式电流 < 1.3mA，掉电模式电流 < 0.1 μA，所以采用ATC51作为控制模块核心具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

基于以上分析，利用ATC51单片机输出误差修正量控制DC-DC模块，改变每一路上的电流，并显示在1602液晶上,以此提高稳定性。A/D转换器选用高精度10位模数转换芯片TLC549。具体的单片机最小系统如图5所示：

图 5 单片机控制电路图

2.4辅助电源电路设计

由于题目对效率要求特别高，若采用一般的线性电源，效率很低，所以5V供电电源，本设计采用具有高效率的开关电源调节器LM2596-5直接将24V直流电源稳压为5V直流，其电路图如图6所示：

图6 直流电源电路

由于开关电源纹波比较大，在LM2596-5输出端并联一个200uf和两个0.01uf的电容似的lM2596-5能供给单片机稳定的电压。

2.5过流保护电路设计

本设计中电流的检测采用阻值很小的康铜丝作为采样电阻与负载串联，通过AD芯片TLC1549采样电阻两端的电流。为了提高效率，我们没有增加额外的过流保护芯片，而是用单片机采样，在通过单片机的处理来控制继电器的吸合来自动保护电路。 

3软件设计

软件设计采用C语言,对ATC51进行编程实现以下功能：① 控制ADC对电流进行采样；②根据采样数据对两路电流进行调整；③驱动液晶显示器显示负载电流值并保护电路。

3.1 主程序流程图

程序流程图如图7所示，通电后单片机控制AD不断采样负载电流，若负载电流超过额定电流，单片机启动保护电路，经过一段时间后。电路恢复，如果检测到电流没有超过额定电流，侧单片机处理所采集到的电流，经处理后自动分配两个模块上的电流，已达到题目设定要求。

图7 单片机程序流程图

4 系统测试

4.1 测试使用的仪器

测试使用的仪器设备如表1所示:

表 1 测试使用的仪器设备

保持A B 模块输出电压为U。=8.0V，测输入电压电流、A B模块的输出电流、负载上的输出电压电流。

表1 负载变化的测试数据

输入电流I

5 结束语

系统以单片机ATC51为核心部件，利用A/D进行数值采集，显示负载电流。在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥电路的灵活性，通过多次的调试，不断提高系统的稳定性，满足系统设计的要求。由于时间关系，该系统还有许多值得改进的地方。

经过四天三夜的努力，我们理论分析，实验测试，不断的优化设计电路，改进设计思想，基本符合大赛的要求。我们从中体会了共同协作和团队精神的重要性和提高了自身的综合能力。

参考文献

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附录

附录一  主要原器件清单