基于单片机的电流比任意可调并联电源设计与实现

摘  要： 开关电源并联系统中往往存在两个并联电源性能参数不同甚至差异较大的情况，因此不能采用传统的并联均流方案来平均分摊电流，这就需要按各个电源模块的输出能力分担输出功率。基于这种灵活性的需要，本设计在采用主从设置法设计并联均流开关电源的基础上新增加了单片机控制模块，实现了分流比可任意调节、各模块电流可实时监控的半智能化并联开关电源系统。实测结果表明，该并联开关电源系统分流比设置误差小于0.5%，具有总过流和单路过流保护功能。
关键词： 单片机；并联分流；开关电源；主从设置法
       为了满足大负载功率的要求，电源系统往往需要用若干台开关电源并联[1]供电。而且在实际应用中，常常存在两个并联电源功率不同、不能平均分摊电流的情况，这就要求功率高的电源模块分担更大的电流的情况。因此有必要采取一种有效的分流控制方案，以保证整个电源系统的输出电流按各个单元模块的输出能力分担，这样既能充分发挥单元电源模块的输出能力，又能保证每个单元电源的工作可靠性[2]。基于灵活性需求，将单片机运用于开关电源并联分流控制就显得十分必要。本文在并联电源系统主从设置法均流技术[3-6]的基础上，设计了一种基于单片机的半智能型并联电源系统，其中的单片机模块可以实时监控各模块的分流情况，并通过人机对话端口实现对并联电源系统分流比的任意可调，极大地拓宽了并联分流开关电源系统的应用场合。
1 系统设计
     系统总体设计方案如图1所示。本设计采用主、从工作方式，分别对电压大小和电流比例进行控制，并进行精确跟踪。其中，主通道对电源输出电压进行稳压控制；从通道保证电流输出比例与系统设定值一致；单片机模块与显示及输入控制端口则实现了系统的半智能化，即分流比可调、各模块电流可实时监控。通过显示及输入控制端口输入比例数据，由单片机产生电流比例调整信号控制从通道电流反馈控制电路，从而调整两路PWM信号使两个DC/DC模块输出相应的电流值。主通道电压反馈控制电路通过对输出电压采样实现整个系统的稳压，单片机模块通过对系统总电流取样实现对系统总电流的监控，在总电流超出设定范围时及时启动过流保护电路。
1.1 主通道模块设计
     主通道模块设计如图2所示。主要由电压取样、比较放大、PWM调制、驱动及输出电路、低通滤波等环节组成。主通道通过电阻分压取样，将负载样品电压与控制系统产生的基准电压UR进行比较，得到PWM调制误差信号，该信号与标准三角波信号进行比较，形成具有一定占空比的PWM调制信号,该信号经180°裂相后，构成一对PWM信号送入驱动电路来驱动半桥输出级电路。然后通过低通滤波后，输出电压幅度稳定的直流电压。
1.2 从通道模块设计
　    从通道模块设计如图3所示。为了控制主从通道的电流输出比例，通过霍尔电流传感器对主、从通道输出电流进行采样，并转换成相应的电流样本电压UI1、UI2。UI3与从单片机系统送来的主/从通道电流比例调整电压Uk相乘，对从通道电流进行比例控制，并与主通道电流样品电压UI1进行比较放大后，送PWM控制系统。
   
       主、从通道的驱动及功率输出部分电路结构完全相同，主通道用来稳定负载电压，而主/从通道电流输出比例由从通道控制，从而简化了反馈环路结构，使系统环路控制稳定，电压和电流都具有很高的调整率，控制精度均很高。
1.3 单片机系统设计
     单片机系统主要用于显示系统工作状态及重点参数信息，响应用户操控指令。其流程图如图4所示。
     首先，单片机系统对系统的总电流进行取样分析，判断是否满足“主从电流之和低于4.5 A”，若不满足,则再判断其是否满足“主从电流之和是否小于6 A”，满足则将强行按照1:1的分流比输出，避免单路输出功率过大而损坏电源，否则过流保护，自动关断驱动电路。若满足“主从电流之和低于4.5 A”，则读取人机交换平台输入的输出电流比，系统对该电流比进行分析，判断其是否满足“主从电流均在0.4 A~3 A之间”，若满足，则系统将按照指定分流比输出；不满足，系统将强行按照1:1的分流比输出。其次，基于单片机的这种分流比控制不但可以实时监控保护电源系统，而且，其“4.5 A”和“0.4 A~3 A”的条件也可以根据实际情况具体设定，具有很大的灵活性，这是传统的并联均流开关电源系统所不具备的。
1.4 过流保护电路设计
     过流保护电路是由单片机进行检测控制。当两路电流之和大于设定的限流值（默认值6 A，可独立设置）时，控制程序自动关断驱动电路，经一定的时间延迟后，自动恢复电流检测控制。另外，根据本设计性能指标，用户可任意设定主从电流比例，但当比例设定不合适或负载发生变化时，存在单路电流超限现象（上限默认值3 A、下限默认值0.4 A，可独立设置）。为保证超限的电流模块正常工作，同时又保证并联供电系统总功率输出不变,单片机在系统总电流输出门限(默认值4.5 A~6 A,可独立设置)范围内，将采用强制1:1输出模式，主从电流比例重新满足要求后，自动恢复。
   
   2 实验测试
2.1 分流比设定及分流误差测试
     设定分流比分别为1.5:2.5和2.5:1.5，调节负载电阻，读取各电流值，计算分流相对误差，分流电流相对误差为：δi=(Ii实测－Ii理论)/Ii理论。结果如表1所示。