基于C8051F340的開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)設計

摘要：本系統(tǒng)以C8051F340單片機為控制核心，通過對輸出電壓和電流采樣計算，改變單片機PWM占空比輸出，控制MOS管的通斷，實現(xiàn)了兩個額定輸出功率均為16W的8V DC／DC模塊并聯(lián)供電。經(jīng)測試，該供電系統(tǒng)供電效率為70.57％；調(diào)整負載電阻，兩個模塊的輸出電流I1、I2之和為4 A范圍內(nèi)實現(xiàn)I1、I2按1：1和1：2模式自動分配電流，其相對誤差絕對值不大于2％；具有負載短路保護功能，保護閾值電流為4.5A。
關鍵詞：開關電源；并聯(lián)供電；均流控制；C8051F340

    近一些年來，隨著微電子技術和工藝、磁性材料科學以及燒結(jié)加工工藝與其它邊沿技術科學的不斷改進和快速發(fā)展，開關穩(wěn)壓技術也得到了突破性進展。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)展的一個重要方向。并聯(lián)分布式電源具有可并聯(lián)式擴展、電源模塊的功率密度高，體積、重量小等優(yōu)點，但同時也存在著由于電源模塊直接并聯(lián)而引起一臺或多臺模塊運行在電流極限值狀態(tài)的問題。目前，均流控制是實現(xiàn)大功率電源和冗余電源的關鍵技術。文中設計并制作了一個光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，實現(xiàn)了雙開關電源模塊并聯(lián)供電，提高了系統(tǒng)供電效率，且實現(xiàn)了電流自動分配。

1 設計任務
    設計并制作一個由兩個額定輸出功率均為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)整負載電阻，保持輸出電壓UO=8．0+0．4V，使兩個模塊輸出電流之和IO=1．0A且按I1：I2=1：1和I1：I2=1：2兩種模式自動分配電流，每個模塊的輸出電流的相對誤差絕對值不大于5％；使兩個模塊輸出電流之和IO=4.0A且按I1：I2=1：1模式自動分配電流，每個模塊的輸出電流的相對誤差的絕對值不大于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)具有負載短路保護及自動恢復功能，保護閾值電流為4.5A。

2 系統(tǒng)總體方案設計
    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；電流檢測模塊通過采樣康銅絲上的電壓推算出電流值；C8051F340單片機輸出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)壓電路設計
    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造成效率的降低，而本題沒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，通過三極管組成的推挽電路驅(qū)動，控制P溝道IRF4905開關的導通與截止，使輸出電壓或電流穩(wěn)定在設定值。

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4 電壓電流采樣電路
    系統(tǒng)采用芯片INA169對康銅絲上的電壓進行采樣并間接推算出電流值。選擇標稱值為50 mΩ的康銅絲作為采樣對象，經(jīng)檢測，其實際電阻值為47 mΩ，并以此在采集輸出電流時進行軟件修正。INA169的輸出腳OUT直接接入單片機內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換輸入端，其輸出電壓
     VOUT=ItxR10xRs3／1K      (1)
    當R10=50 mΩ，It=0．5 A，Rs3=20 kΩ時，可算出VOUT=0．5 V，以此類推，當I=1 A，VOUT=1 V，It=2 A時，VOUT=2 V，此比例關系可以方便單片機采樣電壓。
    系統(tǒng)對輸出電壓采樣時，在負載兩端并聯(lián)1 kΩ電阻以及10 kΩ可調(diào)電阻，單片機采集輸出電壓在R11兩端的電壓，調(diào)節(jié)RS2，使單片機內(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)電壓電流測控原理
    本系統(tǒng)測控電路原理圖如圖6所示，控制器模塊1(MCU1)采集DC／DC模塊1產(chǎn)生的電流和負載上的電壓，根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)PWM信號，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)生的電流和負載上的電壓。根據(jù)控制策略調(diào)節(jié)PWM信號，用以調(diào)整DC／DC模塊1和DC／DC模塊2的輸出，使得系統(tǒng)達到控制策略所設定的電流I1、電流I2以及負載電壓UO。
5．1 MCU1的電流控制策略
    MCU1通過采樣電流的反饋，將I1的電流控制在0．5 A±5％上。當接收到MCU2的控制信號時MCU1改為進行電壓采樣，控制PWM信號將輸出電壓UO穩(wěn)定在8+0．4 V上，實現(xiàn)負載電壓的控制。

    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。如果采樣到的I1大于2．6 A，則通知MCU2關閉PWM信號，進行過流保護。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通過采樣電壓的反饋將負載電壓控制在UO=8±0．4 V上。當I2大于2．2 A時，發(fā)送控制信號給MCU1，同時采樣電流，將I2穩(wěn)定在2 A±2％。如果收到MCU1的控制信號就返回控制電壓的循環(huán)。若收到過流信號則關閉PWM輸出。MCU2的電流控制策略流程圖如圖6所示。

6 系統(tǒng)指標測試與結(jié)果
    系統(tǒng)測試主要是對系統(tǒng)效率、電流分配性能以及負載過流保護可靠性等指標進行測試，測試電路圖如圖1所示。
    1)效率測試
    調(diào)整負載電阻RL，當負載功率為額定功率PO(UOXIO)=32 W時，測量供電系統(tǒng)輸入電流IIN、輸入電壓UIN、輸出電流IO和輸出電壓UO，重量測試3次，測量數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)式2計算供電系統(tǒng)的效率η：
   

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    2)IO=1．0 A時，電流1：1分配性能測試
    調(diào)整負載電阻RL保持輸出電壓UO=8．0+0．4 V且使輸出電流IO=1.0 A，測量2個電源的輸出電流I1和I2，按式3計算每個模塊輸出電流的相對誤差(其中的I1、I2理論值均為0．5 A)，重復測量3次，測量及計算數(shù)據(jù)見表2。

    DC／DC模塊輸出電流的相對誤差為δ：
   
    式(3)中，Iit為測量值，Ii為理論值。
    3)IO=1．5 A時，電流1：2分配性能測試
    調(diào)整負載電阻R1，保持輸出電壓UO=8．0+0．4 V且使輸出電流IO=1．5 A，測量2個電源的輸出電流I1和I2，按式(3)計算每個模塊輸出電流的相對誤差(其中I1的理論值為0．5 A、I2的理論值為1．0 A)，重復測量3次，測量及計算數(shù)據(jù)見表3。

    4)輸出電流4．0 A時，電流1：1分配性能測試
    測試電路示意圖如圖1所示，調(diào)整負載電阻RL，保持輸出電壓UO=8．0±0．4 V且使輸出電流IO=4．0 A，測量2個電源的輸出電流I1和I2，按式3計算每個模塊輸出電流的相對誤差(其中的I1、I2理論值均為2．0 A)，重復測量3次，測量及計算數(shù)據(jù)見表4。

    5)負栽短路保護可靠性測試
    調(diào)整負載電RL，使輸出電流IO逐漸變大，當輸出電流增大到4．5±0．2 A范圍時，觀察是否啟動自動保護，并記錄此時的輸出電流值。重復測量5次，測量數(shù)據(jù)見表5。

7 結(jié)論
    通過以上測試數(shù)據(jù)，調(diào)整負載電阻，兩個模塊的輸出電流之和為4 A范圍內(nèi)實現(xiàn)按I1：I2=1：1和I1：I2=1：2模式自動分配電流，其相對誤差絕對值不大于2％。系統(tǒng)供電效率η≥70％，實現(xiàn)負載短路保護功能，達到設計要求。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)的基礎上結(jié)合CAN總線技術，實現(xiàn)更多模塊并聯(lián)交流冗余，更好的采用復雜控制策略，如滑?？刂萍夹g，提高魯棒性，進一步提高系統(tǒng)動態(tài)性能。