基于C8051F340的開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:本系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)為控制核心,通過(guò)對(duì)輸出電壓和電流采樣計(jì)算,改變單片機(jī)PWM占空比輸出,控制MOS管的通斷,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)額定輸出功率均為16W的8V DC/DC模塊并聯(lián)供電。經(jīng)測(cè)試,該供電系統(tǒng)供電效率為70.57%;調(diào)整負(fù)載電阻,兩個(gè)模塊的輸出電流I1、I2之和為4 A范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)I1、I2按1:1和1:2模式自動(dòng)分配電流,其相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于2%;具有負(fù)載短路保護(hù)功能,保護(hù)閾值電流為4.5A。
關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源;并聯(lián)供電;均流控制;C8051F340
近一些年來(lái),隨著微電子技術(shù)和工藝、磁性材料科學(xué)以及燒結(jié)加工工藝與其它邊沿技術(shù)科學(xué)的不斷改進(jìn)和快速發(fā)展,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)也得到了突破性進(jìn)展。目前,多模塊并聯(lián)供電電源代替單一集中式電源供電已經(jīng)成為電源系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。并聯(lián)分布式電源具有可并聯(lián)式擴(kuò)展、電源模塊的功率密度高,體積、重量小等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在著由于電源模塊直接并聯(lián)而引起一臺(tái)或多臺(tái)模塊運(yùn)行在電流極限值狀態(tài)的問(wèn)題。目前,均流控制是實(shí)現(xiàn)大功率電源和冗余電源的關(guān)鍵技術(shù)。文中設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置,實(shí)現(xiàn)了雙開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電,提高了系統(tǒng)供電效率,且實(shí)現(xiàn)了電流自動(dòng)分配。
1 設(shè)計(jì)任務(wù)
設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由兩個(gè)額定輸出功率均為16 W的8 VDC/DC模塊構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。要求調(diào)整負(fù)載電阻,保持輸出電壓UO=8.0+0.4V,使兩個(gè)模塊輸出電流之和IO=1.0A且按I1:I2=1:1和I1:I2=1:2兩種模式自動(dòng)分配電流,每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于5%;使兩個(gè)模塊輸出電流之和IO=4.0A且按I1:I2=1:1模式自動(dòng)分配電流,每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差的絕對(duì)值不大于2%;額定輸出功率工作狀態(tài)下,供電系統(tǒng)的效率不低于60%;要求系統(tǒng)具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能,保護(hù)閾值電流為4.5A。
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
并聯(lián)供電系統(tǒng)主要由控制器模塊、DC/DC變換穩(wěn)壓模塊、電流檢測(cè)模塊以及輸出電壓采樣模塊等組成,系統(tǒng)總體硬件框圖如圖2所示。在系統(tǒng)中,DC/DC變換穩(wěn)壓模塊采用選擇非隔離方式的降壓斬波電路;電流檢測(cè)模塊通過(guò)采樣康銅絲上的電壓推算出電流值;C8051F340單片機(jī)輸出PWM波調(diào)整DC/DC模塊的輸出,控制輸出電流。
3 DC/DC變換穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
DC-DC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全,但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低,而本題沒(méi)有要求輸入輸出隔離,所以選擇非隔離方式。本系統(tǒng)采用降壓斬波電路(Buck Chopper)。降壓斬波電路的原理圖如圖3所示。采用單片機(jī)根據(jù)采樣到的反饋電壓程控改變其產(chǎn)生的PWM波占空比,通過(guò)三極管組成的推挽電路驅(qū)動(dòng),控制P溝道IRF4905開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與截止,使輸出電壓或電流穩(wěn)定在設(shè)定值。
4 電壓電流采樣電路
系統(tǒng)采用芯片INA169對(duì)康銅絲上的電壓進(jìn)行采樣并間接推算出電流值。選擇標(biāo)稱值為50 mΩ的康銅絲作為采樣對(duì)象,經(jīng)檢測(cè),其實(shí)際電阻值為47 mΩ,并以此在采集輸出電流時(shí)進(jìn)行軟件修正。INA169的輸出腳OUT直接接入單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換輸入端,其輸出電壓
VOUT=ItxR10xRs3/1K (1)
當(dāng)R10=50 mΩ,It=0.5 A,Rs3=20 kΩ時(shí),可算出VOUT=0.5 V,以此類推,當(dāng)I=1 A,VOUT=1 V,It=2 A時(shí),VOUT=2 V,此比例關(guān)系可以方便單片機(jī)采樣電壓。
系統(tǒng)對(duì)輸出電壓采樣時(shí),在負(fù)載兩端并聯(lián)1 kΩ電阻以及10 kΩ可調(diào)電阻,單片機(jī)采集輸出電壓在R11兩端的電壓,調(diào)節(jié)RS2,使單片機(jī)內(nèi)置A/D輸入端采集到的電壓與輸出電壓成比例1:8的關(guān)系。輸出電壓、電流采樣電路如圖4所示。
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5 系統(tǒng)電壓電流測(cè)控原理
本系統(tǒng)測(cè)控電路原理圖如圖6所示,控制器模塊1(MCU1)采集DC/DC模塊1產(chǎn)生的電流和負(fù)載上的電壓,根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)PWM信號(hào),調(diào)整DC/DC模塊1的輸出;控制器模塊2(MCU2)采集DC/DC模塊2產(chǎn)生的電流和負(fù)載上的電壓。根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)PWM信號(hào),用以調(diào)整DC/DC模塊1和DC/DC模塊2的輸出,使得系統(tǒng)達(dá)到控制策略所設(shè)定的電流I1、電流I2以及負(fù)載電壓UO。
5.1 MCU1的電流控制策略
MCU1通過(guò)采樣電流的反饋,將I1的電流控制在0.5 A±5%上。當(dāng)接收到MCU2的控制信號(hào)時(shí)MCU1改為進(jìn)行電壓采樣,控制PWM信號(hào)將輸出電壓UO穩(wěn)定在8+0.4 V上,實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的控制。
如果采樣到I1小于0.4 A,則返回原始的控制,將I1穩(wěn)定在0.5 A上,并且向MCU2發(fā)送控制信號(hào)。如果采樣到的I1大于2.6 A,則通知MCU2關(guān)閉PWM信號(hào),進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。MCU1的電流控制策略流程圖如圖5所示。
5.2 MCU2的電流控制策略
MCU2通過(guò)采樣電壓的反饋將負(fù)載電壓控制在UO=8±0.4 V上。當(dāng)I2大于2.2 A時(shí),發(fā)送控制信號(hào)給MCU1,同時(shí)采樣電流,將I2穩(wěn)定在2 A±2%。如果收到MCU1的控制信號(hào)就返回控制電壓的循環(huán)。若收到過(guò)流信號(hào)則關(guān)閉PWM輸出。MCU2的電流控制策略流程圖如圖6所示。
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6 系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試與結(jié)果
系統(tǒng)測(cè)試主要是對(duì)系統(tǒng)效率、電流分配性能以及負(fù)載過(guò)流保護(hù)可靠性等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試電路圖如圖1所示。
1)效率測(cè)試
調(diào)整負(fù)載電阻RL,當(dāng)負(fù)載功率為額定功率PO(UOXIO)=32 W時(shí),測(cè)量供電系統(tǒng)輸入電流IIN、輸入電壓UIN、輸出電流IO和輸出電壓UO,重量測(cè)試3次,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)式2計(jì)算供電系統(tǒng)的效率η:
2)IO=1.0 A時(shí),電流1:1分配性能測(cè)試
調(diào)整負(fù)載電阻RL保持輸出電壓UO=8.0+0.4 V且使輸出電流IO=1.0 A,測(cè)量2個(gè)電源的輸出電流I1和I2,按式3計(jì)算每個(gè)模塊輸出電流的相對(duì)誤差(其中的I1、I2理論值均為0.5 A),重復(fù)測(cè)量3次,測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
DC/DC模塊輸出電流的相對(duì)誤差為δ:
式(3)中,Iit為測(cè)量值,Ii為理論值。
3)IO=1.5 A時(shí),電流1:2分配性能測(cè)試
調(diào)整負(fù)載電阻R1,保持輸出電壓UO=8.0+0.4 V且使輸出電流IO=1.5 A,測(cè)量2個(gè)電源的輸出電流I1和I2,按式(3)計(jì)算每個(gè)模塊輸出電流的相對(duì)誤差(其中I1的理論值為0.5 A、I2的理論值為1.0 A),重復(fù)測(cè)量3次,測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
4)輸出電流4.0 A時(shí),電流1:1分配性能測(cè)試
測(cè)試電路示意圖如圖1所示,調(diào)整負(fù)載電阻RL,保持輸出電壓UO=8.0±0.4 V且使輸出電流IO=4.0 A,測(cè)量2個(gè)電源的輸出電流I1和I2,按式3計(jì)算每個(gè)模塊輸出電流的相對(duì)誤差(其中的I1、I2理論值均為2.0 A),重復(fù)測(cè)量3次,測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
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5)負(fù)栽短路保護(hù)可靠性測(cè)試
調(diào)整負(fù)載電RL,使輸出電流IO逐漸變大,當(dāng)輸出電流增大到4.5±0.2 A范圍時(shí),觀察是否啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù),并記錄此時(shí)的輸出電流值。重復(fù)測(cè)量5次,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。
7 結(jié)論
通過(guò)以上測(cè)試數(shù)據(jù),調(diào)整負(fù)載電阻,兩個(gè)模塊的輸出電流之和為4 A范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)按I1:I2=1:1和I1:I2=1:2模式自動(dòng)分配電流,其相對(duì)誤差絕對(duì)值不大于2%。系統(tǒng)供電效率η≥70%,實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路保護(hù)功能,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著電源系統(tǒng)的數(shù)字化及專用微處理器的發(fā)展,可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合CAN總線技術(shù),實(shí)現(xiàn)更多模塊并聯(lián)交流冗余,更好的采用復(fù)雜控制策略,如滑??刂萍夹g(shù),提高魯棒性,進(jìn)一步提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。