论文开关电源模块并联供电系统

，高云彪1，裴超1，吴东亚11辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛（125105）E-mail：[e-mail]摘要：本设计采用ATMEGA16单片机为主要控制器。采用BUCK降压电路和DC/DC并联模块，设置了对电流电压的采样模块，实时对电压电流检测，并反馈给控制器，应用PID控制算法，PWM控制电力二极管的通断，实现在可变负载情况下保持输出电压电流稳定。该设计还添加了显示模块，通过LCD液晶显示屏对电流电压数值进行显示，具有较好人机界面，方便对该供电系统的测试和调试。关键词：单片机;并联供电;PID中图分类号：：TP2771.引言随着电源技术的发展，采用多台开关电源并联运行实现大功率电源系统是目前电源技术的发展方向之一。并联运行是电源产品大容量化的一个有效方案，并联系统对扩大系统供电容量，提高供电系统的可靠性具有重要意义。多台电源并联构成的大功率电源系统,应象单台电源一样,在输入总线和输出负载变化的情况下,除系统的输出电压等电特性始终保持稳定不变外,还须能长时期、无故障地可靠运行。在并联多相DC/DC变换器中，各模块承受电流应自动平衡。本论文设计的开关电源并联模块控制系统，成本低廉，能直观的观察控制效果，完成系统的调试任务，快捷的验证控制理论算法的正确和否。2.系统整体组成系统采用ATMEGA16单片机作为控制核心。控制芯片主要用来控制MOSFET的导通与关断，以及电压，电流信号的采集，误差信号的计算，输出电压电流的液晶显示，以及两个DC/DC模块并联实现均流效果。DC/DC模块采用BUCK降压电路[1]。图1控制系统方案降压电路DC/DC并联系统是由两台可独立运行的DC/DC电源模块并联给负载供电，两路电源模块并联共同给负载供电。单个DC/DC电源模块具有独立的电源输入，由BUCK降压电路，滤波电路，均衡电抗器等组成。每个电源模块都有各自的电压，电流反馈环，以实现模块负载电流跟踪与校正，且模块的给定电流是由控制模块提供的。3.2控制电路ATMEL公司的AVR单片机具有高可靠性、功能强、高速度、编程灵活，自由度大，电源抗干扰性强等特点，软件编程可实现各种算法和逻辑控制。其内部集成了AD、DA模数转换器；PWM、SPI等通信口及丰富的中断源，并且它的功耗低、成本低，实物的硬件布线比较简单，与51单片机、PIC单片机相比运行效率高很多、芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大且全部支持在线编程烧写。控制模块采用ATmega16，利用ATmega16中的寄存器来产生PWM波，同时控制液晶显示，输出电流电压值。通过调节占空比来控制电压幅值的大小。单片机通过对电压电流的采集通过软件程序进行PID算法，控制电流电压稳定输出。单片机PD3，PD4端口为PWM波形输出端。PC0，PC1分别为电压和电流的采集端口。控制模块输入采样检测电路的负载电流（总电流）与总电流给定进行比较，并进行输入信号的一阶微分前馈处理，由于各电源模块的电流给定并通过CPU并口传送给每个电源模块，由于各电源模块同时从并口线上获得给定电流信号，因此各电源模块的给定电流相同。根据电流反馈闭环控制规律，每个模块的输出电流跟踪给定电流变化，也几乎相同，可以基本实现并联系统的均流，使并联系统的每个模块尽量做到均衡地给负载供电。3.3显示模块显示电路采用液晶LCD16O2。它是一种字符型液晶模块，是一种用5×7点阵图形来显示字符的16×2点阵液晶显示器。其特点是：亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长、耐冲击且性能稳定。LCD16O2与单片机接口采用串行方式控制。显示电路如下图所示，是使用LCD1602液晶显示屏显示，这种显示最大的优点就是使用口资源比较少，显示位数多，显示比较清晰，而且又可进行菜单显示，段码从PB口输出。在本设计中LCD1602主要用来显示电压值的大小。转换器来测量电压，从而在液晶显示屏上输出电压，电流的变化[5]。(XCK/T0）PB01(T1)PB12(INT2/AIN0)PB23(OC0/AIN0)PB34PB4(SS)5(MOSI)PB56(MISO)PB67(SCK)PB78RESET9VCC10GND11XTAL212XTAL113(RXD)PD014(TXD)PD115(INT0)PD216(INT1)PD317(OC1B)PD418(OC1A)PD519(ICP1)PD620PD7(OS2)21PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TMS)25PC4(TDO)26PC5(TDI)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AVCC30GND31AREF32PA7(ADC7)33PA6(ADC6)34PA5(ADC5)35PA4(ADC4)36PA3(ADC3)37PA2(ADC2)38PA1(ADC1)39PA0(ADC0)40*1ATMEGA1610uFC110KR1S1GNDVCC12345678910111213141516P1LCD1602GNDVCCVORWEDB0DB2DB1DB3DB4DB5DB6DB7BGBGRSVCCVCCVCCGNDGNDGNDGNDVCC图2液晶显示接口电路3.4辅助电源电路交流电压经全桥整流电路整流，将24V电压转换成12V和5V的直流电压，得直流电压后采用7812，7805进行三端正电源稳压。进而对主控制器单片机以及其它芯片供电[2]。104C41000uC5104C21000uFC1470uFC3470uC8104C7470uC6100R41KR5100R11KR3Q1SCRVinVoutGNDVR37812VinVoutGNDVR27815VinVoutGNDVR17805D3470uC9104C10-GND+5GND123P1Header3123P3Header3123P2Header3R2RPotSM+-24V图3辅助电源电路3.5主电路电路图BUCk电路开关管承受的电压为直流母线电压，设计中最大直流电压为24V，因此应选用耐压值为24V以上的MOSFET。主回路额定电流3A，考虑到电压电流余量以及管子的通态阻抗，我们选用耐压100V，通态电阻为0.044欧，额定电流为33A的N沟道MOSFETIRF540。下图为本设计的主电路，单片机产生电力二极管的控制信号，经过74HC244N缓冲去毛刺，经过光电耦合器，加在电力二极管栅极，控制电力二极管的通断,实现主电路降压[4]。*274HC244NN.C.1ANODE2CATHODE3N.C.4GND5VO(OUTPUT)6VO7VCC8*1TLP250N.C.1ANODE2CATHODE3N.C.4GND5VO(OUTPUT)6VO7VCC8*3TLP2501KR147kR51KR647kR101KR7330R81KR2330R32kR42kR9104C1104C2+12+12检测点1PWM1检测点2PWM2PWM1PWM2+5GNDGNDGNDGNDGNDD2INS822Q1MOSFET-NQ2MOSFET-ND1DZenerVcc2+24VD3DZenerGNDD4INS822V2cc+24VGNDL?L?4700uFC?4700uFC?4700uFC?4700uFC?+8GND图4主电路4.系统的软件设计通过采集采样点电压，与控制器内设置的电压相比较，通过PID算法，使输出电压保持稳定。程序入口采样电压大于8V是否超过占空限制PID控制增大占空比返回减小占空比设定限定值NYYN电压差超出允许范围检测电压差YN等于8V图5电压控制流程图通过采集采样点电流，与控制器内设置的电流相比较，通过PID算法，通过与电压PID的配合，使输出电流压保持稳定。程序入口采样电流大于2A是否超过占空限制PID控制增大占空比返回减小占空比设定限定值NYYN电流差超出允许范围检测电流差YN等于2A图6电流控制流程图5.测试结果及结果分析5.1供电系统直流输出电压测试用滑动变阻器作为负载，调节滑动变阻器阻值，当输出功率为额定值P（16W）时，记下输出电压0U，输出电压为VU4.080，该项基本要求基本实现，符合设计要求。5.2供电系统效率测试测量系统输入端电压电流，以及系统输出端电压电流，额定输出功率工作状态下，分别计算出输入功率和输出功率，根据公式计算出效率，经计算供电系统效率%60，本设计的效率已达到要求标准。5.3均流测试保持输出电压VUo4.00.8均流测试数据表模块电流输出之和)(AIo模块1模块2电流1I相对误差（绝对值）电流2I相对误差（绝对值）1.0A(1:1:21II)0.484.16%0.511.96%1.5A(2:1:21II)0.492.0%0.991.1%相对误差计算：相对误差=|测量值-真实值|/真实值（即绝对误差所占真实值的百分比）绝对误差=|测量值-真实值|（即测量值与真实值之差的绝对值）测试结果表明，系统总体上达到了较好的性能，开关电源并联模块系统，在输入恒定和输出负载变化的情况下,除系统的输出电压等电特性始终保持稳定不变外,能长时期、无故障地可靠运行。在并联DC/DC变换器中，各模块承受电流可实现自动平衡。经过测试该系统效率达到了较高水平，符合要求。在测试的过程中，由于人为的客观因素无法避免，所以对测试数据的结果会有一定的影响。参考文献[1]王兆安刘进军《电力电子技术》第5版社北京：机械工业出版社2009.5[2]黄继昌等《实用单元电路及其应用》北京：人民邮电出版社2000.10[3]童诗白华成英《模拟电子技术基础》4版北京：高等教育出版社2006.5[4]赵同《开关电源设计技术与应用实例》北京：人民邮电出版社2007.3[5]梅丽凤等《单片机原理及接口技术》北京：清华大学出版社北京交通大学出版社SwitchingpowersupplymoduleparallelpowersupplysystemZhangXu-yang1,GaoYun-biao1，PeiChao1,WuDong-ya11LiaoningTechnicalUniversitySchoolofelectricalandcontrolengineering,LiaoningHuludao(125105)AbstractThisdesignadoptsATMEGA16chipasthemaincontroller.UsingBUCKstep-downcircuitandDC/DCparallelmodule,settothecurrentvoltagesamplingmodule,real-timedetectionofvoltageandcurrent,andfeedbacktothecontroller,theapplicationofPIDcontrolalgorithm,thePWMcontrolpowerdiodeon-off,realizingthevariableloadconditiontokeeptheoutputvoltageandcurrentstability.Thedesignalsoaddedadisplaymodule,throughtheLCDliquidcrystaldisplayof