开关电源模块并联供电系统设计总结报告

摘要：在电源的实际使用过程中，各种负载对于供电的可靠性要求不同，当单台电源不能提供负载的全部容量的时，就需要多个电源模块并联使用，以提高电源的容量和运行的可靠性。

在实际的使用过程并不是简单的把各个电源并联使用就可以让电源平均承担功率。这是由于电源各自参数的分散性，使得每个电源的开路电压和内阻均会存在差异，通常开关电源的内阻都非常小，因此开路电压很小的差异就会导致各电源的输出电流有较大的差异，这种状态会导致各个电源的寿命衰减不一致，达不到电源的可靠性和稳定性的要求，这就要求在电源并联使用过程中使用均流技术。

关键词：电源，可靠性，稳定性，并联，均流

目    录

A-开关电源模块并联供电系统（A题）【本科组】设计总结报告    1

1．系统设计    3

1.1设计任务    3

1.2 设计要求    3

1.3 总体设计方案    3

1.3.1设计思路    3

1.3.2方案论证与比较    4

2．单元硬件电路设计    4

2.1 主要单元模块设计    4

2.1.1 输入电路模块    4

2. 1. 2 DC/DC模块电路    5

2. 1. 3 输出电压部分    6

2.2 DC/DC模块工作原理介绍及部分参数的设计    6

2. 2. 1 工作原理介绍    6

2. 2. 2 UC3842 芯片简介及振荡频率设计    7

2.2.3反馈电路    8

2. 3 总体电路设计    10

3．系统测试    10

3.1 测试使用的主要仪器    10

3.2 测试方法    10

3.3 测试前注意事项    10

3.4 测试数据    11

3.4.1输入电路部分电压测试数据    11

3.4.2DC/DC模块电路部分测试数据    11

3.4.3系统测试数据    12

3.5 测试结果分析    12

4．结论    12

5．参考文献    12

附录一：所需主要元器件清单    12

附录二：电路原理图及PCB图    13

1．系统设计

1.1设计任务

设计并制作一个由两个额定功率为16W的8V DC/DC模块构成的并联供电系统（见图1）。

图 1 两个 DC/DC 模块并联供电系统主电路示意图

1.2 设计要求

（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%。

1.3 总体设计方案

1.3.1设计思路

开关电源模块并联供电系统由输入电路，两个DC/DC模块电路和负载电阻组成。输入电路输入的电压直接由实验室220V交流电经变压器降压为18V交流电，然后再通过整流桥堆后形成约24V的直流电提供，24V直流电压经DC/DC模块后形成8V的电压加在负载的两端。通过改变负载，由DC/DC模块控制电流变化，以保证电压不变，从而达到设计要求。开关电源模块并联供电系统中的DC/DC模块由三部分组成：主电路，控制电路和保护电路。其中主电路采用的是单端反激式电路，它是升降压变换器的推演并加隔离变压器而得。此电路的优点是：电路简单，能高效提供直流输出，且它是所有电路拓扑中输入电压范围最宽的。

1.3.2方案论证与比较

方案一：

由于两个DC/DC模块并联，而且功率较大，故考虑采用buck结构。因为两个输出电压和输入电压完全相同，可以考虑直接并联，且保证两个电源的一致性，或者采用隔离措施防止倒灌。

而电源是恒压源，电流实现自动比例分配。基本要求部分要求电流按照固定的两个比例进行，在电路中做好两种固定输出电流对应的比例设置，设置方法为：使用控制器+电流采样处理和运放+MOS管配合实现固定电流比例控制，达到两路电流成固定比例的目的。至于相对误差，则采用电流采样及数字处理，反馈控制恒流控制模块。

方案二：

由于两个DC/DC模块并联，而且功率较大，同样考虑采用buck结构。因为两个输出电压和输入电压完全相同，则直接并联，且采用隔离措施防止倒灌。

而对于DC/DC模块，以UC3842为核心控制部件，设计一款DC24V输入，DC8V输出的单端反激式开关稳压电源，其电路由三部分组成：主电路，控制电路和保护电路。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。该方案的结构方框图如图2所示：

图 2 方案二系统方框图

为使系统得到更高的增益带宽乘积，提高系统结构稳定性和输出电压值的精确性，且方案二的DC/DC模块中具有保护电路，所以经过方案论证后决定使用方案二。

2．单元硬件电路设计

2.1 主要单元模块设计

2.1.1 输入电路模块

输入电路应具备的功能有: 将220V交流电压转化为18V交流电压，并通过整流最终形成约24V的直流电压，以形成系统需要的24V直流输入电压。输入电路如图3所示。

图3  输入部分电路图

在输入电路中，降压部分采用的是220V-18V的变压器、整流部分由四个IN54系列的整流二极管组成。在此部分中采用此设计的主要目的是形成24V直流电压，为开关电源模块并联供电系统提供直流输入电压。

2. 1. 2 DC/DC模块电路

本模块以UC3842 为核心控制部件，设计一款DC24V 输入，DC8V输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。其电路原理图如图4所示，该部分电路分主电路，控制电路和保护电路三个部分。

图4  DC/DC模块电路原理图

2. 1. 3 输出电压部分

输出电压部分主要由可变负载电阻构成，其主要功能为给系统提供负载，以更好的调试系统，获得更精确的参数。

2.2 DC/DC模块工作原理介绍及部分参数的设计

2. 2. 1 工作原理介绍

DC/DC模块电路由三部分组成：主电路，控制电路和保护电路。其中主电路采用的是单端反激式电路，它是升降压变换器的推演并加隔离变压器而得。此电路的优点是：电路简单，能高效提供直流输出，且它是所有电路拓扑中输入电压范围最宽的。这对于输入环境恶劣发热负载时比较好的。它的缺点是：输出纹波较大，但这可以通过在输出端增加一级LC 滤波器来减小纹波。

控制电路是开关电源的核心部分，控制的好坏直接影响电路的整体性能，在这个电路中采用的是以UC3842为核心的峰值电流型双闭环控制模式。即在输出电压闭环的控制系统中增加直接或间接的电流反馈控制。电流模式控制可以使系统的稳定性增强，稳定域扩大，改善系统的动态性能，消除了输出电压中由输入电压引入的低频纹波。

保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中引入了输入过流保护、输出过流保护、输出过压保护、过热保护等。其中输入过流保护是通过在原边引入取样电阻R14，接到UC3842的3脚，当R14上的电压超过1V，会关断PWM的输出从而起到保护作用，输出过压保护是通过输出电压分压后送到误差放大器的反相端，和电压基准比较从而来控制R9的电压，来控制UC3842的输出占空比，达到输出电压稳压的作用。C6用来滤除芯片反馈网络调节误差比较器的输出端（1脚）的高频迭加信号。R5为开关管的驱动电阻，一般在10～100Ω取值，本电路取22Ω。R5越大，开关管导通越慢,开关管上的损耗也越大。 R4取10kΩ左右，主要是防止MOS管栅极悬空。C10、R10起对三端稳压管TL431 内部放大器进行相位补偿的作用。C7、R13是UC3842误差放大器的补偿网络。当系统输入电压时，电路先由启动电阻R2（43kΩ）提供启动电流后，由自馈线圈、二极管FR107、C2构成辅助电源, ,使UC3842的7脚电压达到16V时，使UC3842 启动并有输出，使MOS开关管导通, 能量存贮在变压器T1中.此时,由于二次侧各路整流二极管反向偏置,故能量不能传到T1的二次侧，T1的一次侧电流通过电阻R14检测并与UC3842 内部提供的1V 基准电压进行比较, 当达到这一电平时,开关管关断, 所有变压器的绕组极性反向, 输出整流二极管正向偏置, 存贮在T1 中的能量传输到输出电容器中。启动结束后, 反馈线圈的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端(脚2) 和UC3842 内部的2.5V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度，从而改变输出电压以实现对输出的控制。这样, 能量周而复始地存贮释放，给输出端提供电压。

2. 2. 2 UC3842 芯片简介及振荡频率设计

UC3842是一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专为离线式直流变换电路设计的。其主要优点是电压调整率可达0.01%，工作频率高达500kHz，启动电流小于1mA ,外围元件少。它适用于20～80W的小功率开关电源。其工作温度为0～70℃，最高输入电压为30V，最大输出电流为1A，能驱动双极型功率管或MOS管。UC3842采用DIP-8封装，其内部结构框图如图5。

图5  UC3842内部结构图

本系统设计的工作频率为50kHz。振荡频率由电阻R15及电容C9决定，取C9=2.2nF，按下式计算，则有

取R15为20KÙ的电位器。

2.2.3反馈电路

反馈电路采用精密稳压源TL431和线性光耦PC817。利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。

如图6所示，R7、R15是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR15也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为2.5V)，使TL431 内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo 下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。

图6 RCD箝位电路

图7  电压反馈电路图

反馈电路参数确定如下：确定电阻R8,R9阻值，由图7知

R8*If +Uf = (Ika - If )*R9

式中，Uf为光耦二极管的正向压降,典型值取1.2 V；If为二极管正向电流，取3 mA；Ika为TL431阴极工作电流，取20mA。为满足上式，可取R8= 470Ω，R9= 154Ω；实取：R8=470Ω，R9= 150Ω。误差检测由分压电阻R7、R15完成，参数值计算如下：

式中，Uref为TL431参考端电压，取2.5V；Uo为输出端电压，取8.0 V。为满足上式，可取R15=10kΩ，R7为20kΩ的电位器，以方便输出电压可调。

2. 3 总体电路设计

以上分别对单元模块和部分硬件器件实现进行了设计，该系统是由DC/DC转化电路控制直流输出电源，该系统能直流输出电压UO=8.0±0.4V，而且具有一定的带负载能力，并具有稳压控流的功能。根据总体要求，为实现设计目标，该系统电路的设计分为三大模块，即输入电路模块、DC/DC模块1、DC/DC模块2。其中输入电路模块将220V交流电压转化为24V直流电压以提供系统的输入电压，DC/DC模块采用的是以UC3842为核心的峰值电流型双闭环控制模式。即在输出电压闭环的控制系统中增加直接或间接的电流反馈控制，起稳压控流的作用，输出稳定的直流电压。

3．系统测试

3.1 测试使用的主要仪器

a、VC9805A万用表

b、SDS1022C数字示波器

3.2 测试方法

（1）在电路的输入端加一电压，测试输出端电压，并验证每个模块能否达到所规定的指标。

（2）将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。

3.3 测试前注意事项

开关电源模块并联供电系统通电测试前，必须对安装电路进行以下检查：

（1）检测电源变压器的绝缘电阻，并分清变压器的原边和副边，否则不仅会造成变压器和电源电路元器件的损坏，还会危及人身和设备安全。

（2）整流元件（二极管和桥堆）的引脚与滤波电容器的极性不能接反，否则将损坏元器件。

（3）稳压器与集成块的各引脚要是别清楚，不能接错。特别是公共端不能开路，一旦开路，输出的电压很可能接近输入电压，导致负载损坏。另外还应考虑在三端集成稳压器上安装足够大的散热器。

（4）负载端不应该有短路现象。

3.4 测试数据

3.4.1输入电路部分电压测试数据

输入电路部分测试数据如表1所示：

表1  输入电路部分测试数据

图8  输入电路部分空载时的输出波形图

3.4.2DC/DC模块电路部分测试数据

DC/DC模块电路部分测试数据如表2所示：

表2  DC/DC模块电路部分测试数据

系统测试数据如表3所示：

表3  系统测试数据

由实验测量的结果表明开关电源模块并联供电系统的各部分输出电压值均在额定值上下波动，系统整体输出电压在负载变化的情况下基本保持稳定，按成了设计所要求的各项指标。

4．结论

我们这次设计的这个开关电源模块并联供电系统主要由24V输入电源模块、两个DC/DC转化电路、控流电路四部分组成，将220V的交流电压通过变压器降压，再通过整流桥变成单向的直流电压，利用滤波电路滤除脉动电压中的谐波分量，输出比较平滑的24V直流电压，利用DC/DC模块和控流电路相结合，对电路进行稳压控流，确保负载变化时输出的电压保持8V不变。电路中省去了调节电位器的麻烦，操作简单，且在DC/DC模块中含有保护电路，整个系统安全高效。

5．参考文献

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011

[2]周金明.开关电源的模块化设计与并联技术研究[D].华中科技大学： 2005

附录一：所需主要元器件清单

设计所需元器件如表4所示：

表4  电路设计所需主要元器件清单

开关电源模块并联供电系统各部分电路原理图如图9所示：

输入电路部分：

DC/DC模块部分：

控流电路部分：

图9  开关电源模块并联供电系统各部分电路原理图

开关电源模块并联供电系统各部分PCB图如图10所示：

输入电路部分：

DC/DC模块部分：

控流电路部分：

图10  开关电源模块并联供电系统各部分PCB理图