基于C8051F340的開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。

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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。

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。[!--empirenews.page--]
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。

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：
   

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    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。

    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，如滑模控制技術(shù)，提高魯棒性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。