基于STM32单片机的开关电源并联供电系统

1摘要本系统以STM32单片机为主控制器，以TL494为核心，设计并实现一开关电源并联供电系统。系统由稳压模块、PWM驱动模块和同步BUCK斩波电路构成的DC-DC模块单片机显示控制模块四部分组成。在AD采集到由电流互感器CSM006NPT的感应电压后，单片机通过TL494的PWM波控制两个恒流源实现了输出电压恒定以及对输出电流任意比的控制。本系统通过场效应管IRF3205代替续流二极管减小损耗从而提高电源效率，并且利用TL494死区引脚实现过流关断，有效的保护了电路，经测试，系统能够实现基础部分所有要求。关键词：TL494；并联供电；同步BUCK斩波；恒流源；恒压一、方案设计1、方案比较与论证（1）DC/DC拓扑结构方案一：采用传统降压拓扑结构LM2596输出电压1.2V~37V可调，输出最高电流可达3A，输出线性好负载可调，系统效率高，可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电，具有过流保护功能，经调节后完全可实现题目的基本要求。但是LM2596内部电阻导通电阻相对较大，同时续流二极管的损耗较大，只能作为开关电源稳压模块，不满足系统对DC-DC模块高效率高效率的要求。方案二：采用同步整流BUCK结构采用具有同步整流的BUCK结构，利用MOS管IRF3205代替二极管续流，IRF3205是具有极低阻抗（开态电阻为8ｍΩ），电压典型值为55V，电流续流连续110A，175℃运行温度，具有快速转换速率，无铅环保等优点。考虑到系统MOS管导通电阻低，效率比传统BUCK高，为了满足扩展部分效率尽可能高的要求，本作品选用同步BUCK拓扑结构。（2）均流控制方案方案一：主从法在并联运行的电源模块单元中，选定一个工作于电压源方式电源模块单元作为主电源模块，另一个工作于电流源方式电源模块作为从流电源模块。主模块直接调整电压，从电源模块设置电流分配。但是在这种方式下，一旦主模块失效，则整个系统崩溃，不具备冗余功能。方案二：平均电流自动均流法这种方法不用外加均流控制器，在个电源模块单元间接一条公共均流母线CSB，均流母线的电压Ub为N个电源模块代表各自输出电流的电压信号Ui的平均值（即代表电源系统的平均电流）。Ub与每个电源模块的取样电压比较后，通过调整放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流的目的。平均电流法可以精确的实现均流，但当公共母线CSB发生短路或接在母线的任一电源模块单元不工作时，使CSB电压下降，结果促使个电源模块输出电压下2调，可能达到下限值，引起电源系统故障。方案三：恒流源并联电流反馈控制法采用两个恒流源直接并联方式，通过AD采样电流互感器的感应电压，转化为电流反馈给单片机，单片机最后通过TL494的PWM波控制输出电流的比例份额及大小从而控制输出电流和电压，形成一种闭环电流反馈控制模式。同时恒流源并联可实现冗余热备份功能。因此最终使用方案三。（3）过流保护方案一：软件控制方法。通过采样电阻两端的电压计算出Io值，经A/D转换模块将电流值反馈给单片机，当检测电流值超过4.5A时将TL494芯片的4脚拉高，降低PWM波占空比为0，使输出电流减小。方案二：电流互感器采集反馈电压，转化为支路电流，当两路DC模块电流和大于4.5A时，将DA预置值设置为2.5V，即将输出电流设置为0A.方案二：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于4.5A时，自恢复保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路。电流降低后可恢复正常工作。综上，我们采用方案一和方案二两种过流保护相结合的方式，确保能够起到过流保护的目的。2、总体方案（1）总体思路以STM32单片机为控制器，通过键盘可设置负载电压值和两条并联BUCK电路输出电流比。在电流互感器CSM006NPT采样到反馈电流和AD采集到负载电压后，单片机通过TL494输出PWM波的占空比的改变控制两个恒流源的BUCK电路输出，从而达到控制输出电流比和输出电压恒定。（2）系统总体框图（8V）DC/DC2DC/DC1RL(恒流模式)I1I2I1+I2BuckK1电流比例1CSM006NPT电流采样(恒流模式)BuckK2STM32单片机输出电压设定电压反馈控制母线均流比例设定调整K1、K2（K）电流比例2PWMPWM电压采样CSM006NPT电流采样图1系统总体框图3二、理论分析计算1、BUCK并联恒流源电流分配由于电流源可以并联，根据负载R电压为8V固定，可知负载R上电流为BUCK电路并联两恒流源电流之和，同时根据设定支路一与支路二电流比为K，可知：I总=8R（欧姆定律）I总=1I+2I(基尔霍夫电流定律KCL)K=12II得：1I=8(1)KRK；2I=8(1)RK即为两BUCK并联支路恒流源电流设定值。上电系统初始化后，两个BUCK支路电流默认按1:1方式步进增加直到AD采集的负载电压为8V，通过检测按键得出K（电流比例）值变化，在保证电压在一定范围变化下先粗调再细调两支路电流值最终确保两支路电流按设定比例输出。2、电压电流精度计算STM32单片机内置12位ADC和12位DAC，基准电压源为内部3.3V，电压精度可以达到0.81mv，远远小于0.4V，同时，霍尔式直流互感器CSM006NPT准确的动态性能误差0.31252.5UI，AD采集偏差0.81mv最大会导致2.48mA电流误差，而题目发挥部分电流相对误差绝对值不大于2%，即允许电流误差最小为0.5A*2%=4mA，满足题目对电压和电流精度的要求。３、开关频率的选择考虑到单片机的效率和为减小开关管的损耗，使开关管工作于音频以上，同时为了防止两个模块电路出现差拍，本作品将两个模块的PWM信号错开5KHz，通过10K滑动变阻器与103（10000PF）电容调节TL494工作频率，从而控制两路恒流源开关管分别工作于20KHz和25KHz频率。4、滤波电容的选择根据设计需求，fL输出滤波电感选取100uH，oU为输出允许纹波电压小于100mV，sf为开关管工作频率，两路DC模块分别取20KHz和25KHz，oV为输出额定电压值8V，D为工作占空比，系统稳定后占空比D=50%。由f2o(1)C8UofsDVLf，求得两路电容值分别为124uF和79.86uF,分别取125uF和100uF电解电容。4三、硬件电路设计1、稳压电路的设计由于系统不允许使用线性电源模块，同时为了减轻程序调节闭环的压力，因此选定一款耐压24V自带反馈的稳压芯片LM2596的开关稳压电路，参考LM2596的datasheet中应用实测电路图，稳压电路分别产生12V和5V电压，用于给TL494和STM32单片机供电。LM2596100uHC3470uFR1D1IN5825C1470uF电解电容+24V35124VINVOUTFBGNDONOFFR2C2220uF电解电容图2稳压电路设置2、TL494PWM波产生电路的设计TL494是典型的脉宽调制型开关电源控制器，内置线性锯齿波振荡器，通过外接电阻和电容可以调节频率，频率计算公式为oscT1.1f=R.TC，内置误差放大器和5V精密基准电压，可将TL494的4脚串联一个100uF电解电容接到TL494的14脚基准电压输出，使得芯片上电后，给4脚一个充电过程，让PWM波的产生达到一个从无到有，从小到大的过程，从而达到对死去时间的控制以及对电路缓冲保护的作用。不仅如此，当电流互感器检测出两路恒流源的总和大于4.5A时，可通过单片机驱动电路将TL494的死去引脚（4脚）拉高，关断PWM输出，之后再重新启动，达到过流保护的目的。图3TL494PWM产生电路53、BUCK驱动电路设计该部分电路作为恒流源控制核心电路，PWM波产生来自于电流互感器采样输出电流感应出的电压与单片机DA设定电压值的比较输出，同时利用导通内阻只有8mΩ的MOS管IRF33205代替续流二极管，减小电路损耗。利用两路相同的BUCK驱动电路分别控制两路恒流源，最后并联输出。图4BUCK驱动电路的设计四、系统测试1、测试条件和测试仪器设备开关电源需要使用隔离电源将电路与大地隔离，使测试仪器如示波器可以安全使用，电路需要对电流、电压和纹波进行测量，需要使用电压表和示波器，设备如下表1所示。表1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注出厂编号1示波器Tektronix1TektronixC0390702数控稳压源（隔离）1南京新联电子设备有限公司071000423数字万用表UT58E6UNI-T—2．测试方法和测试结果1、并联开关电源性能测试（手动调节）测试方法：手动调节滑动变阻器，六个电压表分别测量输入电压INU，输入电流INI，DC-DC支路电流1I和2I，总输出电流oI，总输出电压0U。表2综合特性测试表（手动调节）电流和I（A）INUV（）INIA（）1IA（）（相对误差）2IA（）（相对误差）12II：oIA（）0UV（）61.023.960.520.508（1.6%）0.502（0.4%）1:11.0188.3674.41%1.523.300.710.973（0.6%）0.503（0.6%）2:11.4828.3674.89%2.022.900.991.036（3.6%）1.021（2.0%）1:12.0688.4076.53%3.522.201.651.469（2.06%）2.015（0.75%）3:43.5028.2078.39%4.022.411.741.969（1.55%）1.999（0.5%）1:13.9877.4576.208测试结果分析：手动调节情况下，调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压在7.6V到8.4V之间，且系统平均效率在74%以上，能够达到效率60%以上的要求，并且满足发挥部分进一步提高电源效率的要求。统在调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V的条件下，可以实现电流和为1A时1:1可调，电流和为1.5A时2:1可调，电流和2A时1:1可调，电流和3.5A时3:4可调，电流和4A时1：1可调，同时每个模块的输出电流相对误差的绝对值小于于5%。2、并联开关电源电性能测试（程控自动调节）测试方法：手动调节负载和支路电流进行测试。表3综合特性测试表（程控自动调节）电流和I（A）INUV（）INIA（）1IA（）（相对误差）2IA（）（相对误差）12II：oIA（）0UV（）125.70.430.483(3.4%)0.490(2%)1:10.9717.767%1.525.70.670.716(3.4%)0.743(0.9%)1:11.4717.967%1.525.90.620.43(1.4%)1.029(2.9%)1:21.4937.973%225.90.80.41(1.8%)1.526(1.7%)1:31.9357.771%3.525.71.282.00(0%)1.465(2.3%)4:33.4767.5780%425.81.441.93(3.5%)1.968(1.6%)4:43.9248.0685%测试结果分析：程控自动调节情况下，调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压在7.6V到8.4V之间，且系统平均效率在67%以上，能够达到效率60%以上的要求，并且满足发挥部分进一步提高电源效率的要求。统在调整负载电阻，保持输出电压UO=8.0±0.4V，电流一定范围条件下，可实现任意比例可调，同时每个模块的输出电流相对误差的绝对小于5%。五、结论本系统以STM32单片机为主控制器，以TL494为控制核心的开关电源并联供电系统。系统在AD采集到由电流互感器CSM006NPT的感应电压后，单片机通过TL494的PWM波控制两个恒流源实现了输出电压在8.0±0.4V范围内对输出电流任意比的控制。本系统通过场效应管IRF3205代替续流二极管减小损耗从而提高电源效率达到67%以上，手动调节和自动调节时能够实现基本要求的5%，并且利用TL494死区引脚实现过流关断，有效的保护了电路，经测试，系统除了发挥部分2%的精度要求最大可以做到3.6%，其他所有基本要求和发挥部分