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[導(dǎo)讀]文章采用單片機(jī)SPCE061A為主控芯片,以開(kāi)關(guān)電源芯片TD1507為核心,利用主從均流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路穩(wěn)壓電源構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過(guò)高精度運(yùn)放OP07的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。此外,系統(tǒng)具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能、負(fù)載溫度檢測(cè)與散熱功能和液晶實(shí)時(shí)顯示功能。

摘要:文章采用單片機(jī)SPCE061A為主控芯片,以開(kāi)關(guān)電源芯片TD1507為核心,利用主從均流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩路穩(wěn)壓電源構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過(guò)高精度運(yùn)放OP07的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。此外,系統(tǒng)具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能、負(fù)載溫度檢測(cè)與散熱功能和液晶實(shí)時(shí)顯示功能。

關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源;主從控制;并聯(lián)供電;大功率電源;DC/DC

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,直流開(kāi)關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。在大功率開(kāi)關(guān)電源中,通常采用多個(gè)單元并聯(lián)獲取大電流的方法獲取大功率。

1 系統(tǒng)方案論證

系統(tǒng)采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源單元并聯(lián)的方案實(shí)現(xiàn)兩路并聯(lián)供電系統(tǒng),兩路模塊的額定功率均為16W,輸出電壓為8V。其框圖如圖1所示。

 

1.1 DC/DC變換電路方案

方案一:LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器

LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路,能夠輸出3A驅(qū)動(dòng)電流,同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器,開(kāi)關(guān)頻率為150KHz,與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較,可以使用較小規(guī)格的濾波元件。

方案二:TD1507降壓轉(zhuǎn)換器

該器件是一個(gè)易于使用的可調(diào)降壓開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器。它提供了一個(gè)可調(diào)輸出版本,是驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力為2.5A輸出電壓在1.23V到34V之間可調(diào)的出色線路負(fù)載調(diào)節(jié)器。降壓電路對(duì)外部組件數(shù)量要求低,穩(wěn)壓器使用簡(jiǎn)單,包括內(nèi)部頻率補(bǔ)償功能,和固定頻率振蕩器。

方案二外圍電路少,易于控制和實(shí)現(xiàn),穩(wěn)壓效果好,所以采用該方案。

1.2 電流電壓檢測(cè)與過(guò)流保護(hù)方案

本系統(tǒng)采用直測(cè)式霍爾電流傳感器,檢測(cè)通過(guò)負(fù)載的電流,并通過(guò)電壓變換電路反饋給單片機(jī),單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換判斷電流范圍,從而確定并聯(lián)DC/DC模塊的輸出電流比。當(dāng)檢測(cè)到電流信號(hào)超過(guò)設(shè)定安全值時(shí),整個(gè)系統(tǒng)被切斷,以達(dá)到保證系統(tǒng)安全作用。

霍爾電流傳感器工作原理如圖2所示,原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通量聚集在磁路中,并由霍爾器件檢測(cè)出霍爾電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)放大器放大,該電壓信號(hào)可精確地反映原邊電流。通過(guò)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換,與設(shè)定值比較后可判斷系統(tǒng)工作模式,并判斷是否過(guò)流。

 

1. 3 均流方案

方案一:斜率法

斜率法是最簡(jiǎn)單的一種均流方法,其原理是利用電流反饋信號(hào)或者直接輸出串聯(lián)電阻,改變模塊單元的輸出電阻,使外特性的斜率趨于一致,從而達(dá)到均流。斜率法的均流精度取決于各模塊的電壓參考值、外特性曲線平均斜率及各模塊外特性的差異程度。但此方案在小電流時(shí)效果較差,隨著負(fù)載的增加均流效果會(huì)有所改善。該法只適合應(yīng)用于均流精度大于或等于10%的場(chǎng)合,很難達(dá)到5%的均流效果。

方案二:主從均流法

主從法的均流思想是在并聯(lián)系統(tǒng)中人為指定一個(gè)模塊為主模塊,直接接到均流母線,其余的為從模塊,從母線上獲取均流信號(hào)。主模塊工作于電壓源方式,從模塊的誤差電壓放大器接成跟隨器的形式,工作于電流源方式。因?yàn)橄到y(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓下調(diào)整,模塊的輸出電流與誤差電壓成正比,所以不管負(fù)載電流如何變化,各模塊的電流總是相等的。采用這種方法,精度很高,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,模塊問(wèn)邊線較少,易于擴(kuò)展為多路。

對(duì)于本系統(tǒng)中的兩個(gè)電源都采用DC/DC芯片設(shè)計(jì),系統(tǒng)的不確定因素少,可靠性高;又主從均流法精確度很高,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,成本低,所以采用方案二。

如圖3所示,當(dāng)兩路并聯(lián)使用時(shí),電路分為主從兩路,通過(guò)電流反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。使用精密采樣電阻采樣各路電流,再用高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路OP07進(jìn)行放大。將主路儀放輸出端送到運(yùn)放的同向端,從路儀放輸出端送到運(yùn)放的反向端,運(yùn)放的輸出端反饋從路反饋腳通過(guò)儀放放大,運(yùn)放比較、反饋實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。本電路是對(duì)各電流進(jìn)行比較,所以即使負(fù)載變化也能實(shí)現(xiàn)均流。

 

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路

系統(tǒng)主控模塊選用凌陽(yáng)的SPCE061A單片機(jī)。它功耗低,超小型,成本低,功能完整,非常適用于便攜式儀表和就地式顯示控制儀表,在國(guó)內(nèi)越來(lái)越受到用戶的重視和廣泛應(yīng)用。在本系統(tǒng)中,充分利用了該單片機(jī)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能、配套液晶模組并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面,系統(tǒng)主電路如圖4所示。

 

2.2 DC/DC轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)中使用了TD系列開(kāi)關(guān)電源芯片TD1507,電路如圖5所示。TD1507可將輸出電壓穩(wěn)定在1.23V到43V連續(xù)可調(diào)。本系統(tǒng)中用此模塊將前端電壓轉(zhuǎn)換為8V穩(wěn)定電源。兩路中元件應(yīng)盡量一樣,續(xù)流二極管選用低壓降肖特基二極管。

 

圖中電感計(jì)算公式為:

 

公式中Kind=0.2,F(xiàn)sw=500KHZ是開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。這里電感起儲(chǔ)能作用,電感量不能太小,太小會(huì)引起電感的磁飽合;電感量太大時(shí)電感上會(huì)有很大的銅損和鐵損,波紋峰-峰值計(jì)算公式為:

 

2.3 測(cè)控電路

2.3.1 電流電壓檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路

本系統(tǒng)采用直測(cè)式霍爾電流傳感器ACS712檢測(cè)通過(guò)負(fù)載的總電流,并通過(guò)電壓變換電路反饋給單片機(jī),單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換判斷電流范圍,從而確定并聯(lián) DC/DC模塊的輸出電流比例。當(dāng)檢測(cè)到電流信號(hào)超過(guò)設(shè)定安全閥值時(shí),整個(gè)系統(tǒng)將被切斷,以達(dá)到保證整個(gè)系統(tǒng)安全工作?;魻栐ぷ髟韴D如圖6所示。

 

2.3.2 溫度檢測(cè)控制電路

充分考慮到大功率負(fù)載在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量,如不及時(shí)散熱,可能影響系統(tǒng)性能甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。我們?cè)O(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)與控制電路。及時(shí)檢測(cè)負(fù)載周圍空氣溫度,將溫度信息反饋給單片機(jī)處理。當(dāng)系統(tǒng)過(guò)熱時(shí)及時(shí)散熱保障系統(tǒng)性能。

 

溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器DS18B20、繼電器和直流風(fēng)扇組成,如圖7所示。DS18B20接到單片機(jī)的一個(gè)I/O口上,由于單總線為開(kāi)漏,所以需外接 10K的上拉電阻。DS18B20收到單片機(jī)發(fā)送的時(shí)序命令就將采樣到的溫度信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)處理。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到溫度超過(guò)安全值時(shí),與繼電器相連的引腳輸出高電平驅(qū)動(dòng)電磁繼電器使直流風(fēng)扇通電,開(kāi)始散熱。

3 軟件流程圖

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想,主要有三個(gè)模塊:操作模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊。主流程圖如圖8所示。

 

4 總結(jié)

在額定輸出功率狀態(tài)下,系統(tǒng)輸出直流電壓穩(wěn)定在8V±0.4V;兩路電源并聯(lián)供電,在各電流比例工作狀態(tài)下,每個(gè)模塊的輸出電流的相對(duì)誤差絕對(duì)值小于 5%。在額定輸出功率狀態(tài)下,供電系統(tǒng)的效率大于60%。具有負(fù)載短路保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)功能,保護(hù)閥值電流為4.5A。系統(tǒng)具有負(fù)載溫度檢測(cè)與散熱系統(tǒng)和液晶實(shí)時(shí)顯示電流、負(fù)載溫度、和電流分配模式等功能。

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