電源技術的發(fā)展方向之一是并聯(lián)運行分布電源系統(tǒng)，以便通過N+1 冗余獲得故障容錯及冗余功率，并且建立模塊式分布電源系統(tǒng)，以增大總負載電流。采用雙端驅動集成芯片TL494 輸出PWM 脈沖控制主開關的導通來控制電壓輸出，以ATmega128 單片機為核心，實現大電流時自動由單電源供電投切到雙電源并聯(lián)均流供電，增強了開關電源的帶負載能力和提高電源的供電效率。
模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實現并聯(lián)方式的容量擴展，使整個電源體積重量下降，模塊中半導體器件的電流應力小，提高了系統(tǒng)的可靠性。本研究的開關電源在帶小負載時為單電源供電，帶大負載時(電流超過1.7A)自動投切為雙電源并聯(lián)供電，采用外特性下垂方法實現各電源均流，增強了開關電源的帶負載能力和提高電源的供電效率。
1 系統(tǒng)設計
1.1 DC-DC 變換器電路拓撲結構
本設計選擇了升壓斬波電路， 其電路原理圖如圖1所示。選擇升壓軌波電路作為DC -DC 變換的主拓撲結構。
圖1 升壓斬波電路原理
1.2 系統(tǒng)性能指標
本設計采用雙端驅動集成芯片TL494 輸出PWM 脈沖控制主開關的導通來控制電壓輸出，以ATmega128 單片機為核心，實現大電流時自動由單電源供電投切到雙電源并聯(lián)均流供電，增強了開關電源的帶負載能力和提高電源的供電效率。系統(tǒng)硬件主要由單片機最小系統(tǒng)，PWM 控制芯片TL494, 開關電源升壓主電路，電流檢測回路，D/A 轉換電路組成。系統(tǒng)輸出直流電壓18~45V 可調，可通過鍵盤設定調整，最大輸出電流達到4A,能對輸出電壓和輸出電流進行測量和顯示，具有調節(jié)速度快、電壓調整率低、負載調整率低、效率高，輸出紋波小等優(yōu)點。
1.3 系統(tǒng)實現結構框圖
綜合方案比較， 最終選擇以ATmega128 為主控芯片，經D/A 轉換后提供參考電壓，與輸出反饋電壓進行比較，使TL494產生相應PWM 方波， 采用圖騰柱驅動對Boost 升壓電路進行控制，實現輸出電壓可調。利用INA169 進行電流采樣、光耦和IRF9540 組成自動投切電路。系統(tǒng)設計總框圖如圖2.
圖2 系統(tǒng)設計結構框圖
2 理論分析與計算
2.1 儲能元件電感的選擇
計算出正確的電感值對選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。本設計采用的電感是鐵硅鋁雙線繞電感，它的磁芯損耗遠低于鐵粉芯及高磁通，具有低磁致伸縮(低噪音)的特點，是低成本的儲能材料，在高溫下性能穩(wěn)定。
2.2 開關管的選擇
本課題設計系統(tǒng)選用MOSFET 的型號是IRF540,使用溝渠工藝封裝的N 通道增強型場效應功率晶體管，常用于DC 到DC轉換器、開關電源、電視及電腦顯示器電源等領域中，具有低導通內阻、快速開關、低熱敏電阻等顯著優(yōu)點，其漏源電壓V_DSS 最大可達100V, 導通電流I_D 最大可達23A, 其導通電阻R_DS(on)<77mΩ，允許最大管耗PCM 可達50W,滿足電路要求。
2.3 續(xù)流二極管的選擇
開關電源輸出整流二極管通常采用肖特基二極管或者快速恢復二極管。因為它正向壓降低，又幾乎沒有反向恢復時間，所以在本設計中選用的整流二極管是SS35,是低功耗肖特基二極管，其反向電壓達到50V,正向壓降只有0.6V 左右，具有高浪涌電流能力。
2.4 PWM 脈寬調制電路
PWM 控制器電路其核心采用專用集成芯片TL494,通過適當的外接電路，不但可以產生PWM 信號輸出，而且還有多種保護功能。TL494 含有振蕩器、誤差放大器、PWM 比較器及輸出級電路等部分。本設計外接電路如圖3 所示。
圖3 TL494 外接電路
TL494 引腳1、2 腳是誤差放大器1 的同相和反相輸入端，1接輸出電壓反饋端IN1,引腳2 接D/A 端口，反饋信號與預設信號經誤差放大器進行比較放大，控制脈沖寬度，由8 腳輸出，再經圖騰柱電路，控制開關管IRF540 導通。為保護TL494 的輸出三極管，經R30 和R31 分壓，在4 腳加接近0.3V 的間歇調整電壓，整機電源取16V 單電源。
2.5 MOSFET 驅動電路
系統(tǒng)中開關管選用N 溝道MOSFET 型號為IRF540N,其開啟電壓為2~4V.但為了保證它的充分導通，一般要提供10V左右的柵極電壓。為此，本設計采用一個簡單可靠、成本低廉的圖騰柱電路作為MOSFET 的驅動電路(如圖4 所示)。PWM 信號經過第一個三極管9014 放大，再經后級NPN 型三極管9014和PNP 型三極管9015 組成的互補電路保持后可給MOS 管的柵極G 極提供11V 左右電壓。該電路在開關管的導通和關斷期間有較好的性能： 能快速可靠開通， 且不存在上升沿的高頻振蕩;在關斷瞬間，驅動電路能提供一個低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放。該電路輸入和輸出剛好反向。即當PWM 為低電平時，柵極得到高電壓，MOS 管充分導通; 當PWM 為高電平時，柵極電壓幾乎為0,MOS管關斷。
圖4 圖騰柱驅動電路
2.6 電源投切開關電路
電路如圖5 所示，Q5 型號為IRF9540, 是P 溝道MOSFET,U2 為光耦，型號為P521.當光耦不工作時，Q5 的源極電位比柵極電位高，Q5 導通，電源導通;當光耦工作時，源極的電位拉到了柵極，Q5 截止，電源截止。光耦不僅起到開關的作用，而且其光電隔離的特性能夠很好地保護單片機的IO 端口。
圖5 投切開關電路
3 軟件設計及其功能
ATmega128單片機能夠根據鍵盤的輸入值而輸送不同的D/A 值給TL494 控制芯片，以實現鍵盤控制電源系統(tǒng)輸出電壓的大小; 對輸出電流進行A/D 采集，并且能夠根據電流的大小判斷是否投切為雙電源供電和顯示相應的工作狀態(tài); 在液晶5110上顯示輸出電壓和輸出電流。具體軟件流程圖如圖6 所示。
圖6 軟件流程圖
4 實驗數據測試及分析
測試電路接法如圖7 所示。
圖7 測試電路圖
4.1 效率及負載調整率測試(單電源供電)
當Uin=16V 時， 改變負載， 測量輸出電流Io,輸出電壓Uo,輸入電流Iin,輸入電壓Uin.計算其效率η，負載調整率SI.
由表1 數據可以計算出負載調整率為：SI =(20.00-19.27)/20.00*100%=2.65%, 電源具有比較強的帶負載能力，最大電流接近2A,具有比較高的轉換效率，平均效率達到84.34%.
表1 效率及負載調整率測試(單電源)
4.2 雙電源供電效率測試(負載10Ω)
由表2 的數據可以看出，并聯(lián)供電時電源的轉換效率得到了明顯的提高，功率也達到了92W,大大地提高了電源的供電能力。
表2 雙電源供電效率測試(負載10Ω)
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