程控開關電源并聯供電系統的設計與試驗

摘要：為降低大功率開關電源設計時功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提高所面臨的困難，改善單電源供電的可靠性，設計并制作程控開關電源并聯供電系統。系統由2個額定輸出功率為16 W的8 V DC／DC模塊構成的程控開關電源并聯供電系統。以STM32F103微控制器為核心芯片，通過程序控制內部DAC調節PWM主控芯片UC3845的反饋端電壓，使DC／DC模塊輸出電壓產生微小變動，進而可調整DC／DC模塊的輸出電流并實時分配各DC／DC模塊的輸出電流，軟件采用PI算法。試驗表明，系統滿載效率高于80．23％，電流分配誤差最大為1．54％；電源輸出在1 s內快速達到穩態；系統以4．5 A為閾值實現過流保護和自恢復功能。
關鍵詞：程控；開關電源；并聯供電；DC／DC模塊

隨著設備對電源的要求越來越高，采用單臺電源供電，變換器需要處理巨大的功率，并且電應力大，給功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提高帶來困難。并且一旦單臺電源發生故障，則導致整個系統崩潰。分布式電源系統取代傳統的集中式電源系統早已經成為電力電子學新的研究熱點，這是因為分布式電源系統利用多個中、小功率的電源模塊并聯，形成的電源系統可以通過改變并聯模塊的數量來滿足不同功率的負載，每個模塊承受較小的電應力，使得電源保持較高的效率和較快的動態響應。還可以應用冗余技術，提高了系統的穩定性，并且容量可根據需求任意擴展。同時可將模塊的開關頻率提高到兆赫級，從而提高模塊的功率密度使電源系統的體積、重量下降。因而，開關電源并聯供電技術的重要性日益顯現，并聯供電技術已成為該領域的重點研究方向之一。文中針對開關電源并聯供電及按照用戶設定比例自動分流方案進行了研究與試驗。

1 系統結構及硬件電路設計
系統以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括DC／DC同步整流模塊、PWM發生器UC3845、減法電路、電流檢測、電壓檢測、液晶與鍵盤等電路，系統總體方案如圖1示。

1．1 PWM發生電路
通過高性能固定頻率電流模式控制器UC3845產生PWM信號，作為開關管的驅動信號。電路如圖2所示。其中，FB是電壓反饋控制段，EN是芯片使能端。

1．2 DC／DC降壓電路
采用高壓MOS管驅動芯片IR2110驅動NMOS管，采用低壓差的肖特基管作為續流二極管，通過INA169檢測DC／DC的電流，降壓電路如圖3所示。

2 主要軟件設計
系統通過對電流、電壓信號進行采樣，經過PI運算后，調節微控制器的兩路DAC輸出模擬電壓，分別控制兩個DC／DC模塊的輸出電壓，實現輸出電流的動態分配。軟件主要包含電壓電流的ADC采樣、DAC輸出、PI算法、液晶顯示等功能。通過STM32F103內部高精度12位ADC檢測電壓，INA169檢測電流，再將所檢測的電壓、電流信號反饋至微控制器的輸入端。ADC采樣使用四通道循環連續采樣模式，采樣數據以DMA方式自動轉移到片內存儲器中，采樣過程無需CPU干預，ADC采樣速率為1000次／s。過流保護及自動功能的實現是基于STM32F103內部的ADC通道自帶模擬看門狗功能，對總電流對應的ADC通道設定模擬看門狗功能，當輸出電流超出設定值4．5 A時，觸發模擬看門狗中斷，相應I／O口輸出高電平，禁止UC3845的PWM輸出，系統進入保護狀態，設定每隔3 s重復嘗試啟動，當檢測到系統輸出電流低于4．5 A，相應I／O口輸出低電平過流解除，系統恢復正常，實現過流保護和自恢復功能。系統軟件中，PI算法實現過程如下。

如圖4所示，PI算法主要實現兩個DC／DC模塊輸出電流的控制，系統通過對兩個DC／DC模塊的輸出電流進行采樣，控制兩個DC／DC模塊輸出電流按給定比例輸出。當DC／DC模塊1的電流I1和DC／DC模塊2的電流I2設定比例為I1：I2=k1：k2時，要求I1xk2-I2xk1=0，所以設定PI的目標值為0，系統反系統反饋為I1xk2-I2xk1。PI調節器輸出信號控制兩個DC／DC模塊逆向調節，實現對各DC／DC模塊輸出電流的控制。

3 系統測試與測試結果
系統測試參數分布示意圖如圖5所示。將24 V直流電壓通過兩個并聯的DC／DC模塊降壓至8 V，調整負載電阻，保持輸出電壓Uo=8.0± 0.4V，使負載電流Io在1．5～3．5 A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可在(0．5～2．0)范圍內按指定的比例自動分配，以及使兩個模塊輸出電流之和Io=4．0 A且按I1：I2=1：1模式自動分配電流。

3．1 滿載輸出電壓和效率
測量方法：在U0=8±0．4 V滿載情況下，用3位半精度的萬用表測量電壓，試驗數據如表1所示。

試驗結果表明，調整負載電阻至額定輸出功率工作狀態，當輸出功率為31．56～33．11 W，系統直流輸出電壓范圍為7．89～7．99 V，最低效率為80．23％。
3．2 電流定比例輸出相對誤差測試
保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，任意設定系統輸出電流I0分別接近1．00 A和4．00 A，I1：I2按1：1分配、設定總電流I0為1．50 A、1．61 A且I1：I2=1：2模式電流分配，通過2個3位半萬用表測2個DC／DC輸出電流，試驗數據如表2、表3所示。

試驗結果表明，使兩個模塊輸出電流T1：I2按1：1模式自動分配電流，相對誤差最大為0．49％，當總電流I0為1．06 A和9．60 A時，可能由于萬用表精度偏低，相對誤差計算為0．00％，但可以確定相對誤差一定小于0．01％。當總電流為1．61 A和1．50 A，I1：I2按1：2分配時，相對誤差最大為1．24％。
3．3 電流不定比例輸出相對誤差測試
保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，任意設定總電流I0分別為1．5 A、2 A、2．5 A、3 A、3．5 A，各按照I1：I2為1：1、1：2、2：1的3種比例輸出，試驗數據如表4所示。

從表4可知，使負載電流I0在1．5～3．5 A之間變化時，兩個模塊的輸出電流可按指定的比例自動分配，各按照1：1、1：2、2：1的3種比例測試，相對誤差最大為1．54％。
3．4 過流保護功能測試
系統設定保護電流閾值為4．5 A(調試時允許有±0．2 A的偏差)。調節負載電阻，記錄系統進入保護狀態時以及從保護狀態恢復時的輸出電流。試驗數據如表5所示。

試驗結果表明，輸出電流大于4．5 A時，系統進入過流保護狀態，當電流降到4．5 A以下時，系統恢復。偏差在0．02 A范圍內。

4 結論
程控開關電源并聯供電系統以Cortex—M3系列ARM7芯片STM32F103微控制器為核心，包括DC／DC同步整流模塊、PWM發生器UC3845、降壓電路、電流電壓檢測、液晶與鍵盤等電路，軟件采用PI算法。試驗表明，保持輸出電壓U0為(8±0．4)V，系統輸出總電流在1～4 A范圍內變化時，任意設定兩個DC／DC模塊輸出電流I1與I2的比值，電流分配誤差最大為1．54％；在滿載輸出時，系統效率高于80．23％；設定系統過流保護閾值為4．5 A，具有過流保護與自恢復功能。