程控开关电源并联供电系统的设计与试验

2019-09-17 13:31字体:
  

摘要:为降低大功率开关电源设计时功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高所面临的困难,改善单电源供电的可靠性,设计并制作程控开关电源并联供电系统。系统由2个额定输出功率为16 W的8 V DC/DC模块构成的程控开关电源并联供电系统。以STM32F103微控制器为核心芯片,通过程序控制内部DAC调节PWM主控芯片UC3845的反馈端电压,使DC/DC模块输出电压产生微小变动,进而可调整DC/DC模块的输出电流并实时分配各DC/DC模块的输出电流,软件采用PI算法。试验表明,系统满载效率高于80.23%,电流分配误差最大为1.54%;电源输出在1 s内快速达到稳态;系统以4.5 A为阈值实现过流保护和自恢复功能。
关键词:程控;开关电源;并联供电;DC/DC模块

随着设备对电源的要求越来越高,采用单台电源供电,变换器需要处理巨大的功率,并且电应力大,给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。并且一旦单台电源发生故障,则导致整个系统崩溃。分布式电源系统取代传统的集中式电源系统早已经成为电力电子学新的研究热点,这是因为分布式电源系统利用多个中、小功率的电源模块并联,形成的电源系统可以通过改变并联模块的数量来满足不同功率的负载,每个模块承受较小的电应力,使得电源保持较高的效率和较快的动态响应。还可以应用冗余技术,提高了系统的稳定性,并且容量可根据需求任意扩展。同时可将模块的开关频率提高到兆赫级,从而提高模块的功率密度使电源系统的体积、重量下降。因而,开关电源并联供电技术的重要性日益显现,并联供电技术已成为该领域的重点研究方向之一。文中针对开关电源并联供电及按照用户设定比例自动分流方案进行了研究与试验。

1 系统结构及硬件电路设计
系统以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器为核心,包括DC/DC同步整流模块、PWM发生器UC3845、减法电路、电流检测、电压检测、液晶与键盘等电路,系统总体方案如图1示。

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1.1 PWM发生电路
通过高性能固定频率电流模式控制器UC3845产生PWM信号,作为开关管的驱动信号。电路如图2所示。其中,FB是电压反馈控制段,EN是芯片使能端。


1.2 DC/DC降压电路
采用高压MOS管驱动芯片IR2110驱动NMOS管,采用低压差的肖特基管作为续流二极管,通过INA169检测DC/DC的电流,降压电路如图3所示。



2 主要软件设计
系统通过对电流、电压信号进行采样,经过PI运算后,调节微控制器的两路DAC输出模拟电压,分别控制两个DC/DC模块的输出电压,实现输出电流的动态分配。软件主要包含电压电流的ADC采样、DAC输出、PI算法、液晶显示等功能。通过STM32F103内部高精度12位ADC检测电压,INA169检测电流,再将所检测的电压、电流信号反馈至微控制器的输入端。ADC采样使用四通道循环连续采样模式,采样数据以DMA方式自动转移到片内存储器中,采样过程无需CPU干预,ADC采样速率为1000次/s。过流保护及自动功能的实现是基于STM32F103内部的ADC通道自带模拟看门狗功能,对总电流对应的ADC通道设定模拟看门狗功能,当输出电流超出设定值4.5 A时,触发模拟看门狗中断,相应I/O口输出高电平,禁止UC3845的PWM输出,系统进入保护状态,设定每隔3 s重复尝试启动,当检测到系统输出电流低于4.5 A,相应I/O口输出低电平过流解除,系统恢复正常,实现过流保护和自恢复功能。系统软件中,PI算法实现过程如下。


如图4所示,PI算法主要实现两个DC/DC模块输出电流的控制,系统通过对两个DC/DC模块的输出电流进行采样,控制两个DC/DC模块输出电流按给定比例输出。当DC/DC模块1的电流I1和DC/DC模块2的电流I2设定比例为I1:I2=k1:k2时,要求I1xk2-I2xk1=0,所以设定PI的目标值为0,系统反系统反馈为I1xk2-I2xk1。PI调节器输出信号控制两个DC/DC模块逆向调节,实现对各DC/DC模块输出电流的控制。

3 系统测试与测试结果
系统测试参数分布示意图如图5所示。将24 V直流电压通过两个并联的DC/DC模块降压至8 V,调整负载电阻,保持输出电压Uo=8.0± 0.4V,使负载电流Io在1.5~3.5 A之间变化时,两个模块的输出电流可在(0.5~2.0)范围内按指定的比例自动分配,以及使两个模块输出电流之和Io=4.0 A且按I1:I2=1:1模式自动分配电流。


3.1 满载输出电压和效率
测量方法:在U0=8±0.4 V满载情况下,用3位半精度的万用表测量电压,试验数据如表1所示。


试验结果表明,调整负载电阻至额定输出功率工作状态,当输出功率为31.56~33.11 W,系统直流输出电压范围为7.89~7.99 V,最低效率为80.23%。
3.2 电流定比例输出相对误差测试
保持输出电压U0为(8±0.4)V,任意设定系统输出电流I0分别接近1.00 A和4.00 A,I1:I2按1:1分配、设定总电流I0为1.50 A、1.61 A且I1:I2=1:2模式电流分配,通过2个3位半万用表测2个DC/DC输出电流,试验数据如表2、表3所示。


试验结果表明,使两个模块输出电流T1:I2按1:1模式自动分配电流,相对误差最大为0.49%,当总电流I0为1.06 A和9.60 A时,可能由于万用表精度偏低,相对误差计算为0.00%,但可以确定相对误差一定小于0.01%。当总电流为1.61 A和1.50 A,I1:I2按1:2分配时,相对误差最大为1.24%。
3.3 电流不定比例输出相对误差测试
保持输出电压U0为(8±0.4)V,任意设定总电流I0分别为1.5 A、2 A、2.5 A、3 A、3.5 A,各按照I1:I2为1:1、1:2、2:1的3种比例输出,试验数据如表4所示。


从表4可知,使负载电流I0在1.5~3.5 A之间变化时,两个模块的输出电流可按指定的比例自动分配,各按照1:1、1:2、2:1的3种比例测试,相对误差最大为1.54%。
3.4 过流保护功能测试
系统设定保护电流阈值为4.5 A(调试时允许有±0.2 A的偏差)。调节负载电阻,记录系统进入保护状态时以及从保护状态恢复时的输出电流。试验数据如表5所示。


试验结果表明,输出电流大于4.5 A时,系统进入过流保护状态,当电流降到4.5 A以下时,系统恢复。偏差在0.02 A范围内。

4 结论
程控开关电源并联供电系统以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器为核心,包括DC/DC同步整流模块、PWM发生器UC3845、降压电路、电流电压检测、液晶与键盘等电路,软件采用PI算法。试验表明,保持输出电压U0为(8±0.4)V,系统输出总电流在1~4 A范围内变化时,任意设定两个DC/DC模块输出电流I1与I2的比值,电流分配误差最大为1.54%;在满载输出时,系统效率高于80.23%;设定系统过流保护阈值为4.5 A,具有过流保护与自恢复功能。

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