开关电源模块并联供电系统.doc

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1、参赛队：1181062011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）【118106组】2011年9月6日摘要本系统以TL494脉宽调制控制器为核心，控制全控型器件，以实现降压斩波，得到DC-DC开关电源，电压稳定在8V；双路开关电源并联后，用均流芯片UC3902控制流过负载的总电流，即电流按指定要求1：1或1：2自动分配流经两个DC-DC支路。通过利用TL494内部的反馈电路，自动调整电压值使输出恒定，当过电流时实现过流保护的功能。关键词：开关电源，均流，TL494ABSTRACTThis system used TL494 pulse width modulation co

2、ntroller as the main method to get the 8V direct voltage; Double road of switch power supply after all, with parallel flow load control through UC3902 chip of the total current source, that is current the specified requirements 1:1 or automatic assignment 1:2 across a DC-DC branch. TL494 internal al

3、so has perfect feedback circuit, automatic adjustment output voltage is constant, when a current with the flow and protection function. Key words: switching power supply, current balance,TL494目录一、设计方案论证-1二、系统的组成-2三、单元模块设计-2四、系统调试-4五、系统功能、指标参数-4六、设计总结-5七、参考文献-5开关电源模块并联供电系统（A题）【118106组】一、设计方案论证（1）开关电源

4、模块并联供电，应满足并联系统需要达到两个基本要求:1.1、当任意模块发生故障时, 其余模块能继续提供足够电能, 整个系统不会崩溃, 即单个模块的故障不影响整个系统的正常运行；12、模块之间自动实现均流, 无需外加均流控制单元,无需人为的整和设定。整个系统的输出电流按每个单元的输出能力均摊, 达到既充分发挥每个单元的输出能力, 又保证每个单元可靠工作的目的。（2）几种常用均流技术的工作原理和特点2 . 1 斜率法(又称下垂法 输出阻抗法)斜率法是一种最简单的均流方法，其实质是利用模块电流反馈信号或直接输 出串联电阻, 改变模块单元的输出电阻，使外特性斜率趋于一致，达到均流。但其本质上属于开环控制

5、，在小电流时电流分配特性差，重载时分配特性要好一些 , 但还是不均衡。2 . 2 主从设置法 (适用于电流控制的开关电源模块)主从设置法是在并联的各变换器模块中, 人为指定其中一个为主模块, 其余各模块跟随主模块分配电流, 称为从模块。并且, 每个模块都是双环控制系统。2 3 按平均电流值自动均流法并联各模块检测到的电流经放大器输出端，通过一个电阻R接到一条公用母线上，该母线称为均流母线。2. 4 最大电流法所谓自主均流法，即在多个并联的模块中, 以输出电流最大的模块为主模块, 而其余的模块为从模块由于多个并联的模块中, 未事先人为设定哪个模块为主模块, 而是通过电流的大小排序，电流大的自动成

6、为主模块，自主均流法因此而得名。以上四种常用均流方法各有其特点，而最大电流法, 自动均流结合了主从设置法和平均电流法的特点, 但是 , 由于二极管总有正向正降, 因此主模块的均流会有误差, 而从模块的均流则是较好的。根据直流操作源系统的要求, 冗余备份并且单台电源故障不影响其它电源模块工作, 最大电流法比较适合应用于此种系统。本设计电路可有多种拓扑结构，主电路结构有以下方案。方案一：开关电源与线性电源结合。利用开关电源效率高，线性电源利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流，并利用线性控制电流的输出，控制电流。方案二：采用纯开关电源，一个恒压，一个可调电流源。开关稳压电路控制MOSFET工作在开

7、关状态，截止时无电流，导通时饱和压降很小，所以管耗也很低，大大提高了电源的效率；电流源控制一路电流。方案三：采用开关电源与分流元件。利用开关电源效率高，并联后利用分流电路使电流均分，UC3902能自动分配电流，并且效率高，稳定且误差小，整个电路简单可靠，对比后，选择此方案为本设计方案。二、系统的组成根据主电路的结构，由五部分组成。（1）24V直流进行直流斩波，降压稳定在8V；（2）TL494控制MOSFIT并进行电路输出采样调整；（3）经滤波电路输出稳定在定8V左右；（4）开关电源结合分流电路按1：1或1：2自动分流后并联输出；（5）利用模拟开关控制UC3902通断，进行1：1和1：2相互转换

8、。三、单元模块设计1、电源电路设计主电路由PWM控制器TL494控制MOSFET通断，达到直流斩波，斩波后经电感储能、续流，加电容滤波后输出。DC-DC电源部分电路原理如图1所示。TL494芯片具有开关电源全部控制电路，有误差放大器、振荡器、脉宽调制器、脉冲发生器、两只相互交替输出的开关管和过流保护电路。输出工作频率1300HZ；输出方式可选择（推挽式输出或同步输出）；输出驱动电流可达200mA；具有电压调整和过流保护功能；高精度5V电压基准。图1 DC-DC电源电路原理图MOSFET采用IR的HEXFET功率场效应管IRF3205，IRF3205采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗。I

9、RF3205这种特性，加上快速的转换速率，和以坚固耐用著称的HEXFET设计，使得IRF3205成为极其高效可靠、应用范围超广的器件。直流V输入流入IRF漏极D，TL产生矩形波，控制通断。TL的内部有一线性锯齿波振荡器，其频率可用两个外部元件R和C进行编程。震荡期的频率可由下式近似计算：f=1.1/R4*C3。输出脉冲宽度调制是通过将电容器C3上的锯齿波与死区时间控制、反馈/PWM比较器输入两个控制信号中的任意一个进行比较而实现。4接地，输出脉冲宽度最大96%；13接地，则Q1、Q2同步方式输出；1接反馈，与基准2脚进行比较，调节输出脉冲的占空比，使输出恒定。2、分流电路设计分流电路如图2所示

10、，开关电源模块DC-DC1与模块DC-DC2输出端由UC3902部分进行控制，分配电流流过各支路。图2分流电路原理图UC390集成芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另外, 此芯片有一个独特的有利条件，就是它使用了差模均载母线, 这种结构大大增强了系统对噪音的抑制能力。图3是UC3902集成芯片的内部框图, 由以下几个部分组成:（1）检测电流放大器; （2）均流驱动和均流检测放大器;（3）一个跨导式误差放大器; （4）缓冲级调整放大器; （5）辅助工作电路, 用以提供内部偏置和芯片内部的参考。图3 UC3902 集成芯片的内部框图UC3902引脚说明：1、GND：本地电源和

11、信号返回地面；2、SENSE：电流检测放大器的反向输入；3、ADJ：电流输出放大器电路（NPN集电极）；4、ADJR：电流调节范围设置放大器（发射极）；5、COMP：输出误差放大器、调整放大器的输入，这是补偿电容的连接；6、SHARE+：从份额总线驱动正向输入端；7、SHARE-：为够检测放大器正向输入端；8、VCC：本地电源正。图4为分流比例控制电路，调节基准电压送到LM393的反向输入端，使当检测到主电路电流在1.5A或大于1.5A时，模拟开关CD4066控制第三个UC3902工作，使各个支路通过电流之比满足1：2的关系；当检测到主电路电流在1A时，模拟开关CD4046关断第三个UC390

12、2，主电路流过的电流按1：1的关系分配到两个支路中，图4分流比例控制电路图5为过流保护电路，过流检测电路采样电阻串入主电路，当检测到过电流4.5A时，采样经放大器放大，输出电压到TL494的16管脚与其15管脚的基压进行比较，当大于基压时候DC-DC模块停止工作，此时TL494输出PWM占空比为0，当检测电流小于4.5A时候DC-DC模块工作恢复达到保护电路的目的。图5过流保护电路四、系统调试单个DC-DC进行调试，输入直流24V，调节反馈电阻，使输出空载稳定在8V，带额定负载压降0.2V，效率并联DC-DC，接分流电路进行调试。当接负载为8时，主电路电流为1A，分流电路控制两支路电流各0.5

13、A，满足支路电流之比为1：1；当接负载为5.33时，主电路电流为1.5A，此时模拟开关工作，控制第三个UC3902工作，电流分配为1：2，DC-DC1流过电流为0.5A，DC-DC2流过电流为1A。五、系统功能、指标参数根据题目要求，两个DC-DC模块要满足额定功率16W，额定电压8V的要求，并联后要求效率不低于60%，根据要求我们负载4测试数据统计如下表1：输入电压V输出电压V输入电流A输出电流A效率（%）DC-DC123.88.040. 981. 8062.04DC-DC223.98.021.031. 8660.59并联后23.88.111.231.8350.69表1分流部分理论设计为负载

14、电流在1.5A以下两电源模块按1：1分流，大于等于1.5A时候系统自动转换为1：2分流。测试效果如下表2：负载电流DC-DC1输出电流 DC-DC2输出电流 分流比例1A0.63A0.56A1.125:11.5A0.68A1.14A1.68:1表2按设计要求，在4.5A以下系统可以正常工作，过4.5A系统自动停止工作，电流降下来后，系统可以自动恢复工作，实际测试数据如下表3：负载电流3A4.5A5ADC-DC 1输出电压（V）8.0500DC-DC 2输出电压（V）8.0100表3六、设计总结本设计为开关电源模块并联供电系统，并实现自动分流。本设计先进行开关电源的设计，使开关电源满足输入24V

15、输出恒定8V，空载、带载电压都在8V；完成后，进行开关电源并联，并联后，两开关电源电压不是严格相同，分流严重不均，此处用两块均流芯片控制电流的平均分配，当要求电流1：2时，用模拟开关自动检测并控制第三块均流芯片工作，测试满足题目性能要求。本设计电路所用器件，大部分的外接电路是以它本身的经典外接电路，具有大众的性能特点，一般都能满足要求。而对于具体电路，应有更具体、更具有针对性的外接，使效果更好，性能参数进一步提高。经过四天比赛，我们更深一步理解了电子设计竞赛，它不仅考察你的基本专业知识，也考察团队的实战经验等等。电子设计竞赛也告诉了我们，我们知识的局限性，以及做实物时应对调整方案能力不足。此次

16、竞赛也让我们理解团队，要相互支持、相互鼓励、相互信任、相互协作，共同完成目标，团队能够互补不足，充分发挥优势，协调能达到事半功倍的效果。在一定意义上，也告诉即将走向社会的我们，在工作中要懂得团队的重要，不要自成一家，要相信团队，融入团队，才能有所成就。七、参考文献1 张华林 周小方编著.电子设计竞赛实训教程.北京：北京航空航天大学出版社，2007.72 王彦朋主编.大学生电子设计与应用.北京：中国电力出版社，20073 王增福 李旭 魏永明编著.新编常用稳压电源电路.北京：电子工业出版社，2005.84 张金主编.电子系统设计实战：电子设计竞赛备战必读.北京：电子工业出版社，2011.1 5 张金编著.电子设计与制作100例.北京：电子工业出版社，2009.106 王兆安 刘进军主编.电力电子技术.5版.北京：机械工业出版社，2009.5