开关电源模块并联供电系统 设计

曹源 曹弋 （ 通讯作者 ） 南京师范大学 江苏省南京市 210000

摘要：开关电源模块并联供电系统采用两个完全相同的同步整流电路进行并联。主电路作为稳压源，单片机MSP430提供PWM波，利用三极管1N9014升压提供IR2111构成的驱动电路的输入电压，驱动开关管工作使主电路稳压在8V。主电路和从电路分别通过电流检测芯片反馈实际电流给单片机，单片机控制两路输出电流值自动调节比例。

关键词：同步整流电路；电路检测；电流比例调节

1 设计原理概述

电路原理总框图如图1所示，采用两个结构完全相同的同步整流BUCK电路进行并联。主电路为稳压源，由单片机输出的PWM波控制主电路输出电压稳定在8V，控制从电路中电流调节，通过两电路的电流采样模块反馈电流到单片机使输出电流值更精确并达到题目要求比例。

2 单元电路方案

2.1 PWM波信号产生单元

用单片机依据设定电压要求产生初始PWM信号，然后根据反馈回来的电压信号调节占空比，实现稳压的目的。这种方案较为灵活，可以针对本系统调试出优化。

2.2 开关电源拓扑电路

2.2.1 方案一：Buck电路

根据题意采用降压拓扑（Buck）结构。若采用传统Buck结构，优点是电路简单，缺点是续流环路中含有一只二极管，即使选用低压降的肖特基二极管，在大电流下仍然会发热损耗导致效率下降。通常传统Buck型拓扑的效率很难超过90%。

2.2.2 方案二：同步整流电路

如图4所示，采用同步整流电路，利用MOS管替代二极管续流，虽然控制电路较复杂，但因MOS管导通电阻极低，效率比传统Buck高。为满足扩展部分效率尽可能高的要求，本单元选择方案二。

2.3 电流检测电路

2.3.1 方案一：差分电流检测电路

差分电流检测电路如图1所示，由于电流检测需要双端输入信号单端输出信号，故须选择差分检测电路，但差分检测电路检测值不够稳定且无法抑制纹波。

2.3.2 方案二：差分输入电流检测芯片电路

差分输入电流检测芯片电路如图6所示，使用INA2143检测电流更加稳定准确，效果较好，且输出纹波较小，故本单元选用方案二。

2.4 均流方法

2.4.1 方案一：双层环路法

各路电源模块配置为横流模式（内环）直接并联，再通过电压控制环路稳定输出电压（外环）。因为电源允许直接并联，总电流即为各电路电流之和，因此可以实现直接指定各路电流比例。缺点是外环调整速度较慢，且容易震荡，环路稳定性需要采取措施加以保证。

2.4.2 方案二：主从模式法

单片机程序流程主模块为稳压源，按照电压控制规律工作；从模块为稳流源，按照电流控制规律工作。该方案优点是主从模块可独立控制：主模块直接决定输出电压，从模块负责调整电流分配额。

方案二能够达到要求，也可通过控制算法实现任意比例要求，本单元采用方案二。

3 电路设计与参数计算及系统参数协调

3.1 主电路

（1）电感值计算：

（公式一）

输出电压U₀=8V，f=10kHz，电感L_min=4.5×10^-4 H

（2）电容值计算：

（公式二）

电容取C=2000uF，理论纹波电压应小于10mV

4 电路焊接制作调试与数据记录

4.1 实习问题及方案调整

（1）程序设定电流变化调节精度过高，导致输出电流持续变化不能稳定，降低精确度后电流输出较稳定；

（2）程序数组排序错误，采样四组数据八组排序，采样值与随机数排序，输出电流值错误，修改程序后改正错误；

（3）从电路电流输出为零，检查电流检测电路查出虚焊点，重新焊接后电流正常；

（4）电流自动调试时主电路向从电路灌电流，从电路电流过大导致电容炸毁，修改程序使主从电路电压平衡，电流稳定不会发生倒灌。

4.2 数据记录

4.2.1 额定工作状态下系统效率

表1 数据记录表

VIN/V	IIN/A	VO/V	IO/A	效率/％
23.996	0.757	8.008	2.038	89.8％

4.2.2 调整负载自动均流功能测试

表2 数据记录表

设定比例	总电流I0/A	主电路I1/A	从电路I2/A	实际比例	误差
1：1	1.015	0.508	0.507	1：1	0.19％
2：1	1.501	1.012	0.489	2.07：1	3.47％

4.2.3 按比例分配电流测试

表3 数据记录表

设定比例	VO/V	I1/A	I2/A	IO/A	实际比例	误差
1：2	7.999	0.552	1.104	1.657	0.50	0.00%
2：1	7.999	1.352	0.679	2.031	1.99	0.44%
3：1	7.999	1.503	0.498	2.001	3.02	0.60%
3：2	7.999	0.805	0.533	1.338	1.51	0.69%
3：4	8.008	0.562	0.759	1.321	0.74	1.27%

4.2.4 过流保护功能

保持输出电压V0=8.0V，系统负载电流为3.509A时自动保护，并具有自动恢复的功能。

5 总结

本实验实现了保持输出电压在8.0V，并能够在一定范围内按照设定比例自动分配电流，且输出电流值相对误差绝对值均满足要求。供电系统的效率较高，在电流超过预定值时系统能够断电保护且自动恢复，整体实验成果较好。

参考文献

[1] 黄智玮 编著﹒《全国大学生电子设计竞赛系统设计》.北京：北京航空航天大学出版社. 2006.12.

[2] 王超 编著.MOSFET/IGBT半桥驱动芯片IR2111的应用研究.浙江丽水学院.(2008)08-0057-03.

[3] 康华光 编著﹒《电子技术基础》.北京：高等教育出版社.2013.12.

作者简介：曹源（1999-08-09），男，汉族，籍贯：江苏丹阳，学历：本科生，研究方向：电气工程及其自动化

通讯作者：曹弋，当前职称：副教授，研究方向：电气工程及其自动化