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开关电源模块并联供电系统A题

来源：意榕旅游网



开关电源模块并联供电系统

摘要:本设计以微控制器TMS320F28044为控制关键,基于开关电源同时降压原理,使用双相并联控制技术,实现了一个开关电源模块并联供电系统。本供电系统对输出电流、电压进行采样,采取软件赔偿网络和数字PID算法实现电压反馈环和电流反馈环,达成输出恒压和成百分比分流目标。最终使电源输出电压值稳定在8V,误差小于0.25V,当输出电流在1.5~3.5A内改变时,两个电源模块输出电流比可在0.5~2之间调整。该并联供电系统外围电路简单,含有精度高、反应灵敏、稳定性好、输出范围宽特点,且供电系统还含有输出电流电压显示功效,控制方便,人机交互界面友好。

关键字:双相并联;同时降压;软件赔偿;分流;PID闭环控制



1

方案论证

Uin

并联电源

PWM

双路电流检测

负
载

输出

1.1

系统总方案

系统由开关电源、反馈回路、

开关电源

同步降压1

控制部分、保护电路和供电电路组

开关电源

电压

检测

成。系统框图图1.1 所表示。主回

同步降压2

ADC

路为两个同时降压模块; 反馈回路关

过流

键为两路电流检测和电压检测电路;

保护

控制

TMS320F28044

控制部分以TMS320F28044 为关键,

LCD

键盘及显示接口

利用了其自带ADC 和PWM 波产生

键盘

FPGA

模块;保护电路关键对过流和短路
进行保护,并在排除故障后自动恢 图1.1 系统框图

复正常工作。整个系统以微控制器为控制关键,合成软件赔偿网络,进行PID数字闭环调整,输出电压稳定,输出电流百分比可正确控制,抗干扰能力强。

1.2开关电源拓扑选择
方案一:降压斩波电路(BUCK)。降压电路见附图1,它由MOSFET开关管Q、肖特基二极管D、LC低通滤波器组成。当Q导通时,D截止,MOSFET漏极电流经过LC滤波器向负载供电,同时LC本身储存一定能量;当Q截止时,其漏极电流为零,电感L上感应电动势极性为左负右正,D导通,电感和电容中存放能量对负载继续供电。

方案二: 同时降压电路(Synchronous BUCK)。

Uin

Uout

电路图1.2所表示,同时降压和传统降压关键区分

在于前者将肖特基二极管换成了开关管, 从而高边

PWM control

GND

GND

Q1 低边Q2 同时工作, 用两路互补PWM 波对Q1、

Q2 控制, 再经过LC 滤波输出。

在传统Buck电路中,因为肖特基二极管管压降较大,使得在低压大电流情况下,二极管损耗很大,造成整个电源效率低、发烧量

大。相比之下, 同时降压低边MOSFET 导通损耗

图1.2 同时降压拓扑



更小,故本设计选择方案二。

2 理论分析计算

I_ctro

2.1

DC/DC 变换器稳压方法

Ref_v

软件补偿

占空比

D1

对于开关型降压电路, 因为输入和输出电

分配算法

Out

D2

Ref

Fdbk

压保持不变, 流过电感电流是线性上升或下降

ADC

Vout

锯齿波电流,其平均值即为输出电流,设高边控

制信号占空比为D, 则在低边MOSFET 反向电

图2.1 电压反馈环路

压平均值V DRDU in , 该平均值即反向电压经过LC 滤波器在负载上产生输出直流电压

U OV DRDU in。故经过电压反馈控制两路PWM 波占空比可达成稳压效果。

电压反馈环路图2.1 所表示, 将分压调理过电压信号送至微控制器自带ADC 采样,

然后在控制器内和设定电压基准比较, 并利用软件赔偿网络进行处理, 输出反馈信号和

电流比值信号共同控制两路输出PWM 波占空比, 从而调整输出电压。

该电压反馈环中赔偿网络是微控制器内部合成数字赔偿网络, 可针对不一样电路参

数更改网络零极点, 从而使系统得到正确赔偿, 方便控制。

本系统作为一个电源并联络统, 电源传输函数应为

G s ( )

G s 1 ( )

G s 2 ( )

, 其中

G s 1( )

、

G s 2( )

分别为两个电源模块传输函数。

对于同时降压模块, PWM 波控制MOSFET 输出部分传输函数为直流量,没有相位改

变。 低通LC 滤波网络由电感和一系列并联电容组成。 设ESR、 DCR 分别为电容、 电

感寄生电阻。 其传输函数为

G

( )



1

s ESR C



ESR



1

s C ESR

s

2

L C

式2.1

由控制部分和滤波电路得到系统控制到输出传输函数:

G s ( )

U

IN






1

s ESR C













V PP

1

s C ESR

DCR

)

s

2

L C

式2.2

本系统中两个电源模块除控制信号外, 选择外部参数相同, 故开环传输函数为:

G s ( )

U

（

1

+

1


）


1

s ESR C





式2.3




IN

V PP 1


V PP

2

1

s C ESR

DCR

)

s

2

L C





由上式可计算本设计开环传输函数
BodeDiagram

G s ( )

150



1 1.88 10

4

s

6

s

2

Magnitude (dB)

60

40

3.29 10

4

s

1.46 10

20

赔偿网络为一个双极点双零点网络,

0

-20

零点为在滤波器截止频率处二阶零点, 即

-40

-60

-80

f

CZ

1

f

CZ

2

f

ESR

; 极点分别选在ESR引发

Phase (deg)

45
0
-45
-90
-135-180-225

零点位置和1/2 开关频率处, 即

f

CP 1

f

Z

0

,

f

CP

2

1

f

; 确定系统带宽

f

C

0.1

f

, 则可

0
10

1
10

2
10

3
10

4
10

5
10

2


Frequency (Hz)

得到赔偿系统直流增益, 使控制到输出在交越频率

f

C

上增益为1。

计算可得,本设计赔偿网络函数为:

H s ( )

18





(1

s

/828)

2




图2. 2 开环、赔偿网络及闭环波特图





s

(1

s

/ 5320)(1

s

/ 62800)




赔偿后闭环传输函数

G C

( )

2700

1 1.88 10

4

s





(1

s

/828)

2


1 3.29 10

4

s

1.46 10

6

s

2


s

(1

s

/5320)(1

s

/62800)

其开环传输函数、赔偿网络传输函数、赔偿后系统总传输函数波特图图2.2所表

示。其中,虚线代表原开环传输函数,点划线代表赔偿网络函数,实线代表赔偿后系统

闭环传输函数。

利用双线性变换可将赔偿网络传输函数从s域转换到z域,然后可在微控制器内进

行对应运算, 实现赔偿网络功效。双线性变换公式为:

s

c

1

z

1

,

c

2

。变换过后


1

z

1


T


得到z 域内赔偿网络函数为:

H z ( )

18

15.16z -16.44z -15.13z +16.46 -3 -2-1

。





-0.17z

-3

0.37

z

2

1.

z

1

Uo
I

Rl

2.2

分流控制

两路并联同时降压变换电路直流等效模型图2.3 所

D1Uin

R1

D2Uin

R2

表示。图中R1和R2代表两电源模块直流等效电阻,

包含MOSFET管导通阻抗,电感等效直流阻抗和焊接线

路阻抗。本系统中两个同时降压模块参数及器件选择均
图2.3供电系统等效模型



相同, 故其直流等效阻抗可近似相等, 令

R

R 1

R 2

。

U

in

、

U

O

分别为输入输出电压,

d1、d2分别为控制两个电源模块占空比。

TMS320F28044能够产生很正确驱动信号,相比于其它控制器,它含有高精度、

高分辨率特点,故而含有很好均流性能。两路信号占空比和输入输出关系为:

D

I R 1 1

U

O

I R 1

U

O

,

D

I R 2 2

U

O

I R 2

U

O

, 则

I

DU 1

in

U

O

,

I


D U 2

in

U

O

。

1


U

in




U

in



2


U

in

A


U

in

:


1


R



2


R

两路电流成百分比时, 设

I

:

I

2

, 则有

I

I


d U 1

in

U

O

, 若

U

in

和

U


为定值, 由



1




1



2


d U 2

in

U

O


O

该式可知,经过调整两路PWM波占空比相对大小,可实现成百分比分流目标。

电流环控制采取工业上常见PID 闭环控制

Ref_i

V_ctro

占空比

D1

方法, 能够比较方便整定相关参数, 便于控

Ref
PID控制

Fdbk Out

分配算法

D2

制。 PID 调整环路图2.4 所表示。对输出电

÷

I1_Feedback I2_Feedback

ADC

I1

流实时采样得到两路输出电流比值, 然后和电

I2



流百分比参考值进行比较和PID 调整, 输出结果

图2.4 电流PID调整环路

和电压环输出信号共同控制输出PWM 波占空比, 从而控制输出电流。

2.3电流电压检测
TMS320F28044 有16 通道12 位高速ADC, 电流、电压检测信号采集调理后均送入该ADC 采样, 使采样正确、反馈快速。

（1）电流检测
本电源系统对效率含有一定要求, 当电流检测电阻阻值过大时, 会增加系统损耗; 电流检测电阻过小时, 多数材料电阻温度系数太高使得采样信号精度小。本设计采取含有低电阻温度系数, 宽使用温度范围, 焊接性能良好康铜丝作为电流检测电阻。

检测电路选择高边电流检测方法。检测电阻放置在高侧, 即电源和负载之间, 不仅消除了低边检测中出现地线干扰, 还能检测电池和系统地短路故障。

（2）电压检测
输出电压采取电阻分压, 利用射极跟随器对分压信号进行调理, 然后再送入微控制器自带ADC 采样。本系统输出电压一直稳定在8V, 而微控制器自带ADC 输入电压范围为0~3V, 选择适宜电阻进行分压, 使送至ADC 电压较大, 使ADC 高位



得到有效利用,提升检测精度。

2.4过流保护
本系统采取软件和硬件两种方法实现保护。短路情况下,硬件电路提供过流信号,两模块输出电流信号经加法器相加后和过流门限比较,将比较结果接至微控制器PWM波生成模块,原理图电路图见附图2、附图3。负载短路时,比较器输出电平改变,PWM波模块自动切断输出。过流情况下,微控制器检测输出电流大小,当输出电流超

出阈值电流时, 切断电源控制信号。也确保了短路保护响应速度。

两种保护电路相结合既保障过流保护阈值电流精度

负载过流后, 系统进入保护状态。保护电路由输出光电耦合器和定值保护电阻串联而成, 电路一端接+5V电源, 一端和负载相连, 光电耦合器作为程控开关使用, 其等效

电路见附图4。

保护状态中, 开关S 导通, 5V 电源连入电路。

经过测量负载上电压

V O

'

大小, 判定负载

R l

阻值, 当负载恢复至安全范围后, 系统自动恢复。具体计算方法以

下: 负载两端电压

V

pro

I'

R

pro

5-V O

'

, 而

V O

'

I'

R l

, 故

R l

V O

'

R

pro

。

5-V O

'

3

电路设计

VCC

VDD

+12

3.1

开关电源电路设计

Hin1

9

VDD

HO

7

10

Uin

IRF3205

U1

10

6

HIN

VB

11

5

0.1uF

320uH

SD

VS

Lin1

12

LIN

14

本设计为两个同时降压模块组成并

13

VSS

NC

3

VCC

4

2

联供电系统, 采取半桥驱动芯片IR2110

NC

COM

10

IRF3205

4700uF

8

1

NC

LO

IR2110

进行驱动, 该芯片利用自举电容和自举

Hin2

GND

9

VDD

HO

7

0.1uF

10

VCC

IRF3205

GND

10

6

HIN

VB

11

5

SD

VS

320uH

12

二极管实现对高边桥路驱动。开关管

Lin2

LIN

NC

14

10

U2

13

VSS

3

VCC

4

2

IRF3205

NC

COM

8

1

NC

LO

选择IRF3205, 它导通阻抗仅为8mΩ,

4700uF

IR2110

VDD

GND

能降低开关管导通损耗从而深入提升系

0.1uF

10uF

0.1uF

10uF

GND

GND

GND

统效率。

开关管后接LC 滤波网络对输

图3. 1 同时降压电路
出方波信号进行滤波, 电路图图3.1所表示。电感L和电容C取值可根据以下公式计算:

L

U

O

( U

in

U

O

)

267 uH

,



I



125 uF

, 式中,

I

为电感电流纹波,

K

IND

为电感纹波系



U K in

IND

I f O





C

8 V ripple

f




数,

V ripple

为输出电压纹波, 取



1

A

,

K

IND

0.2

,

V ripple

50

mV

。在尝试不一样电容和




电感后, 最好组合为

L

320 uH

,

C

4700 uH

。

Uo

R1

2

+5

8

Usense

3.2

电压检测电路

电压检测选择低噪声、高精度宽带运算放大器

6

MAX9632, 其单位增益稳定, 可单电源。使用该芯

470K

3

GND

1

5

R2

TLV2461

224K

片可相对减小电压检测带来误差, 提升A/D 采样数据

GND



精度。电路图3.2所表示。依据分压网络计算得

图3.2 电压检测电路MAX9918VCC

输出电压

U


U



R 2


2.55 V

。





VCC




SENSE



O

R 1

R 2




Uo

Rsense

GND

RS+

OUT

R2

Isense

RS-

560K

3.3

电流检测电路

Rl

FB

R1

SHDN

4.7K

电流检测电阻为阻值为7mΩ 康铜丝, 检测芯片

GND

REFN

采取单电源、高精度检流放大器MAX9918, 该芯

GND

片含有-20V~75V 共模输入范围, 可用于单向或双向电流检测, 且外围电路简单, 仅需经过外接电阻设置增益, 增益大于30 倍可调。电路图3.3 所表示, 依据外接电阻取值,

增益为

G



R

2/ 1

120

。

图3. 3 电流检测电路

4

软件设计

软件部分关键需要实现信号采样、赔偿网络算
法、 PID 控制算法、键盘控制和输出显示多个功效。程序模块框图见附图5。其中模数转换采取微控制器自带12 位高速ADC。系统采集电源输出电流和负载两端电压值, 在微控制器内实现闭环控制算法, 计算得到输出PWM 波占空比, 控制输出电压和输出电流百分比, 从而实现电压环和电流环数字闭环控制。软件主步骤图、中止控制步骤图图4.1 图4.2 所表示。





20KHz

进入中断

开始

保存现场

初始化

电压电流采样

软启动

1ms

0.5s

采样滤波

恒压

按键检测

恒电流比

参数更新

控制

过流保护

控制算法

显示刷新

输出更新

图4.1 软件主步骤图 恢复现场

退出中断

图4.2 中止控制步骤图

5 系统测试及分析

5.1测试仪器

直流稳压源 型号:SG1733SB3A

万用表 型号:FLUKE 17B

秒表 精度:0.01s

5.2测试方案及结果分析

测试框图见附图6,输入端连入电流表A0、电压表V1,分别测量输入电流I和电in

压U; 两个电源模块输出分别接入电流表A1、A2,测量单路输出电流inI、1 I; 电流2

表A3和电压表V2测量流经负载电流I和电压OU。O 经过测量值可计算题中各项指标。

（1）恒压、均流及效率测试

测试方案:保持其它条件不变,调整负载至额定输出状态,即负载电流为4A,测量输入、

输出电压和电流,统计输出电压误差绝对值,计算电系统效率;统计调整负载完成到读

数稳定时间。

表5.1恒压、均流及效率测试数据

U

in

（V）


I

in

（A）


U

O

（V）


I

O

（A）


ŋ

t（s）

23.44

1.56

8.24

4.02

90.59%

0.98

23.60

1.56

8.24

4.03

90.19%

0.76

分析:额定输出情况下,系统输出电压为8.24V,偏差不超出0.25V,系统效率大于



90%。读数稳定时间小于1s。

（2）输出定百分比分流模式测试

测试方案:保持输出电压UO=8.0V,调整负载使负载电流分别为1.0A、1.5A和

4.0A,其对应电流比分别为I1:I2 1:1、 I1:I2 1:2和I1:I2 1:1。测量输出电压和每

个电源模块输出电流,计算输出电流相对误差绝对值;统计调整负载完成到读数稳定时

间。

表5.2输出定百分比分流模式测试数据

I 1

:

I

2


U

O

（V）


I

O

（A）


I 1（A）

相对误差

I

2

（A）


相对误差

t（s）

1:1

8.24

4.08

2.028

0.59%

2.020

0.98%

0.84

1:2

8.11

1.513

0.508

0.73%

1.014

0.53%

1.22

1:1

8.07

0.998

0.504

1.00%

0.502

0.60%

1.34


I 1

:

分析:负载电流分别为1.0A、 1.5A 和4.0A, 两个电源模块输出电流以

I 1

:

I2

1:1

、

I2

1: 2

和

I 1

:

I2

1:1

成百分比自动分配, 每个模块输出电流相对误差小于1%。读

数稳定时间小于1.5s。

（3）输出电流分流比可调模式测试

测试方案: 保持输出电压

U

O

=8.0 V

, 调整负载使负载电流在1.5~3.5A 之间改变, 在

0.5~2内设定两个模块输出电流百分比。测量输出电压和每个电源模块输出电流,计算

输出电流相对误差绝对值;统计调整负载完成到读数稳定时间。

表5.3输出电流分流比可调模式测试数据

I 1

:

I

2


U

O

（V）


I

O

（A）


I 1（A）

相对误差

I

2

（A）


相对误差

t（s）

1:2

8.14

2.028

0.675

0.15%

1.3

0.%

1.25

1:1

8.16

2.532

1.268

0.16%

1.277

0.87%

1.56

3:2

8.19

3.033

1.824

0.23%

1.225

0.97%

1.67

2:1

8.20

3.378

2.257

0.22%

1.139

1.15%

1.82

分析:负载电流在1.5-3.5A之间改变时,在0.5-2内对两个模块设定不一样输出电流

百分比,每个模块输出电流相对误差绝对值小于1.2%,读数稳定时间小于2s。

（4）过流保护及自动恢复测试

测试方案: 保持输出电压

U

O

=8.0 V

, 调整负载使负载电流变大, 在负载电流为4.5A 左

右时观察系统是否自动保护,排除故障后,观察系统是否自动恢复,统计动作电流。



表5.4过流保护及自动恢复测试

动作电流（A）

偏差电流（A）

是否自动恢复

4.472

0.028

是

分析:系统在负载电流为4.472A时自动保护,排除故障后系统自动恢复。

6 试验总结
本系统以TMS320F28044为控制关键,设计并制作了开关电源并联供电系统,其主电路拓扑为同时降压电路,利用到关键技术为软件赔偿网络和PID数字闭环控制。电源可稳压分流输出,还含有过流、短路保护功效。输出电压可稳定在8V,误差小于0.01V;满载时整机效率高达90%,负载电流为1A和4A时,两个模块自动均分电流,每路输出相对误差小于1%,负载电流在1.5~3.5A之间改变时,两个模块输出电流比可在 系统很好完成了题中基础部分和发挥部0.5~2之间调整,每路输出相对误差小于1.2%。

分各项要求,并具输出参数显示功效,系统稳定且界面友好。



参考文件:

[1]黄根春,柯亨玉.电子设计教程.北京:电子工业出版社,8月第一版
[2]杜炜,王聪,何安然.采取无电流传感器实现两相BUCK变换器均流方法[J].电源学报,,1月,第一期:85-90
[3]耿铭慈.高压高效率同时降压变换器功率级电路分析和设计[D].成全部:西南交通大学.

附录:


Q

L

Uin

Uout

PWM c

D C

ontrol

GND GND

附图1降压斩波电路（BUCK）

V1

V2

Vref

-

Pulse

+

comparator

附图2过流检测原理图

VCC

GND 47k VCC 47k 0.1uF 10uF VCC +3.3


2

8

GND


5

BAL

V+

8

330


I1

47k

3

6

47k

47k

10K

1

5

0.1uF

TLV2461

I2

2

BAL/STB

7

Icontrol

1

6

GND

4

V-

LM311D

I2

47k

GND

GND

2.5V

GND

附图3 过流保护电路





Uo

+5

S

Rpro

Vo'

Rl

GND

附图4过流自恢复电路原理图

附图5程序模块框图

Uin

A0

V1

DC/DC

A1

A3

负

V2

模块1

DC/DC

A2

载

模块2

附图6测试框图

供电方案
方案一:使用线性稳压芯片供电。采取UA7805、UA7812线性稳压芯片对系统供电。该方案输出电压稳定,不过效率较低、输出误差较大。

方案二:使用开关电源降压芯片供电。采取集成降压稳压芯片TPS30对系统供电。该芯片含有效率高、输出稳定、纹波小特点,且内置MOSFET,外围电路简单。 从供电性能和效率两方面考虑,选方案二。

TPS30有5.5～36V宽电压输入范围,转换效率可达95%,芯片自带金属散热片,



不需要再接散热装置,且内置一个1.221V基准电压,比较反馈电压和基准电压可调整内部开关信号占空比从而调整输出,供电电路见附图9。

VIN

10uF

10uF

EN

7

U1

BOOT

1

0.01uF

100uH

330uF

10uF

R1

12V

VIN

5

ENA

2

8

NC

PH

3

NC

6

0.1uF

GND

VSNS

4

SS26

0.1uF

9

PwPd

TPS30

R2

GND

10uF

GND

GND

GND

7

U1

BOOT

1

0.01uF

GND

330uF

10uF

GND

5V

L1

22uH

EN

VIN

5

ENA

0.1uF

2

PH

8

GND

SS26

0.1uF

R3

NC

3

NC

6

4

GND

VSNS

9

PwPd

GND

R4

TPS30

GND

附图7TPS30供电电路

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