开关电源模块并联供电系统全国二等奖作品_并联开关电源供电系统
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2011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）
【本科组】
2011年9月6日
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。
本系统以Buck升压斩波电路为核心，以12c5a60s2单片机为主控制器和PWM信号发生器，根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。系统输出直流电压8V，可以通过键盘设定和步进调整，最大输出电流达到2A，电压调整率和负载调整率低，DC-DC变换器的效率达到93.9%。能对输入电压、输出电压和输出电流进行测量和显示。
关键词：开关电源
电源并联
均流技术开关电源模块并联供电系统（A题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由DC/DC模块、PWM模块、电流采集模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
一、方案论证选择
方案一，间接直流变流电路：将电压降至下一级的最简单方法是使用 LDO 稳压器。LDO 具有成本低，封装小、外围器件少和噪声小的特点。超低的输出电压噪声是LDO 最大的优势，从而非常适用于作为对噪声敏感的RF 和音频电路的供电电路。同时由于LDO采用线性调节方案，因此不存在开关期间大电流所引起的电磁干扰（EMI），所以有利于对音频放大器、RF 电路系统或摄像机CCD 感光器等的“噪声”开关模式稳压输出进行后置滤波。但是 LDO 的缺点是低效率，且只能用于降压的场合。LDO 的效率取决于输出电压和输入电压之比：ŋ=Vout/Vin。在输入电压为3.6V（单节锂电池）的情况下，输出电压为3V是，效率为90.9%，而在输出电压为1.5V 时，效率则下降为41.7%。这样低的效率在输出电流较大时，不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热，影响系统稳定性。
方案二，利用由L4978构成的可调式开关电源,L4978的最大功率仅为1W(L4978D仅为0.8W)，其具有低功率，工作稳定，高效率等特点。结合降压开关电源的原理，将L4978的输出通过LC型低通滤波器，变为直流输出。L4978芯片的引脚及内部结构如图1所示。
图 1 方案三，运用降压开关电源原理，通过控制开关，把直流信号变为PWM波形，经过近似无损耗的LC型低通滤波器后，变为直流输出。开关打开时，电流从电源流过电感，为电容充电并且为负载提供电流；开关关断时，电源没有连入电路，电感为负载提供电流，点容放电，续流二极管为整个电路提供回路，加入负反馈后，系统稳定，电源的性能能得到较好的改善。原理如图2所示。但是现在数字电路中通常都是通过比较门槛电压来构成振荡，而门槛电压会因为各种原因变化，构成的振荡电路会有输出频率不够稳定的缺陷。
图2 4
综合上述三种方案，我们选用方案二。
二、控制方法及实现方案
方案一：采用脉冲频率调制PFM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调整范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。
方案二：采用脉冲宽度调制PWM(Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比,控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
基于上述考虑及题目的具体要求，我们选用PWM调制方式。
三、理论分析与计算
1、PWM波形产生。
PWM波有很多产生方法；施密特触发器产生、与门（与非门）产生、555电路产生、晶振产生、单片机产生等。晶振能输出非常稳定的脉冲，是现代数字电路中最常用的器件，是现代数字电路中最常用的器件；555电路是通过3个电阻精确分压，得到的是很精确的波形，功能强大，也是非常常用的器件；施密特触发器和与门都是通过比较门槛电压来构成振荡；而门槛电压会因各种原因变化，构成的振荡电路会有输出频率不够稳定的缺陷。而单片机能够产生稳定的PWM波型，可以调节PWM的频率，调整PWM的占空比，更于方便控制PWM波，实现电压和电流的调控。
2、系统总体方案的确定
单片机输出PWM波形，用大功率三极管TIP42c作为开关管，把直流变成方波，经过LC电路滤波，滤平峰尖脉冲，得到直流电压。通过负反馈，把电压最终稳定在所要的数值上。系统框图如图3所示：
图 33、开关器件的选择 开关器件选择L4978。其具有输出稳定，输出精度高，功耗低，具备线路降压补偿等特点。L4978芯片内部结构如图4所示：
图 4 效率的分析及参数计算
(1)IO=2A，当U2从15V到21V时，电压调整率S(2)U2=18V，IO从0A到2A时，负载调整率S(3)DC-DC变换器效率P0PINUUU2UO。100%U2U'OUO 100%U2,其中POUOIO,PINUINIIN。
4、开关部分各参数设计
电感滤波电容的选用和纹波密切相关，占空比D=Vo/Vi=8/24/0.33(比实验得到的低，但是可以通过反馈来稳定输出电压)。当负载取10欧，开关频率为20kHz，纹波ΔV/Vo=0.05%的时候，根据电容电感充放电公式有
L=（1-D）*RT/2=(1-0.33)*10*0.00005/2=268µH 22C=VoDT/8LΔVo=0.42*5*（0.00005）/8*268*10-6*0.005=61.5µF LC低通滤波器的截止频率 f=1/（2π√（LC））=1/（2π√268*61.8*10-6*10-6）≈1.2kHz 小于开关频率，能够很好地滤除开关高频噪声。
5、电流采集部分设计
电流采样我们选用ACS712，带2.1kRMS电压绝缘及低电阻电流导体的全集成、基于霍尔效应的线性电流传感器IC，其特点是低噪音模拟信号路径，5V单电源操作可通过新的滤波引脚设置器件带宽，5µs的输出上升时间，对应步进输入电流，80千赫的带宽，总输出误差为1.5%接近零的磁滞，以及电源电压的成比例输出等。典型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护。足以检测开关电源输出的电流。把输出电流转化为电压输出至单片机的AD输入。电路如图5所示。
图 53
电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
3.1.2 DC/DC子系统框图与电路原理图
3.1.4电源
可得PD=1.4W
4效率分析计算
输出功率PO=UO*IO=80W 3.1.3电流采集模块子系统框图与电路原理图
综上所述此电路可满足设计
DC-DC电路输入电压UIN=24 信号占空比D=1—UIN/UO=0.58 两只采样电阻上得总损耗为0.9W 输入电压有效值IIN=IO/（1—D）=6A 肖特基二极管的损耗：PD=IOVD，又IO=4A。所以取二极管压降VD为0.35V，带入
