基于单片机的开关电源并联供电系统的设计

白炳良，周锦荣

（闽南师范大学，福建 漳州 363000）

在工程应用中，并联技术是实现大功率电源系统的技术关键。采用分布式供电、模块化结构，不仅能使电源保持高的效率和较快的动态响应，而且能使电源的输出功率灵活扩展、设计标准化、减少电源种类、易于维护，还可以采用N＋1、N＋m冗余技术，提高电源系统的可靠性［1］。

并联供电系统要有均流措施，否则并联运行的各模块中，由于各模块参数的分散性，使输出电流不一致，导致有些模块负荷过重，结果分担电流多的模块热应力大，降低了系统的可靠性，国外有资料表明，电子元件温升从25℃上升到50℃时，其寿命将降低到25℃时的1／6［2－3］；因此均流技术是实现并联供电系统的关键。常见的均流方法有：阻抗调整法、主从设置法、平均值均流法、最大电流型均流控制［4］。本设计主要介绍两路开关电源并联后，采用最大电流型均流控制法，给出实现电流分配的技术方案。

1 系统设计任务

设计并制作一个开关电源并联供电系统，其结构如图1所示。基本功能为：输入电压24V，输出为8.0V；调整负载电阻，可使电流I1I2＝按11、12或13等比例自动分配。

2 系统设计思路

2.1 系统设计框图及工作原理

如图2为系统设计框图，输入电压经LM2576－5开关电源降压后获得5V电源。系统以PIC16F877A单片机为核心，由两片TL494、电压取样及外围电路分别组成两路的DC－DC稳压模块；MCU分别对两路电流取样后控制双路12位D／A转换器MCP4922的输出电压，实现对DCDC模块输出电流的数字化控制，从而达到两路电流的自动分配。

图1 系统框图

系统由LCD液晶实时显示输出电压，I1、I2电流及其比例；还具有过载及短路保护功能。

图2 系统设计框图

2.2 系统工作电源及DA转换器

工作电源模块原理图如图3所示，其核心为LM2576－5，LM2576－5是一种电流输出为3A 的降压开关型集成稳压管，它内含固定频率振荡器和基准稳压器，可输出5V电压为系统供电。TL431为双通道12位DA转换器MCP4922提供2.500V的基准电压，DA的最小步进值为2.500V／4 095＝0.61mV。

图3 工作电源及DA转换电路

2.3 DC－DC变换及电流分配

DC－DC变换由模块1和模块2组成，如图4为DC－DC变换电路1（变换电路2略）。主要由集成PWM控制芯片TL494、DA转换器和电压电流反馈电路组成。输出端的反馈电压Uo1或Uo2经TL494内部的误差放大器构成反馈回路，若因某种原因导致输出电压过高，则反馈电压增大，使得误差放大器同相端电位升高，反馈PWM端电位上升，TL494输出信号占空比减小，结果使输出电压减少，最终使输出电压保持稳定［5－6］；实现了电压闭环负反馈。

图4 DC－DC模块变换电路1

电流的分配主要是采用最大电流型均流控制法，即每个模块均由一个二极管接入主回路，电流大的模块作为主模块，电流小的模块作为从模块，交替变化控制。当负载电阻变化时，可以保持输出电压稳定，均流瞬态响应好。电流检测是通过对采样电阻R11，由INA193差分放大20倍后送单片机内部AD实现电流采样，R10、R12及C16实现低通滤波。单片机根据电流采样值，通过控制DA转换器MCP4922的输出值VoutA，实现输出电流的数字化调整，由此利用对TL494控制使其产生PWM来控制开关管的导通时间，使得各支路电流对应成比例，从而实现电流闭环负反馈，且保持输出电压不变。

过流或短路保护是根据电流的采样结果，利用单片机的I／O口（RC1）控制TL494的IN2＋，对开关管进行脉冲封锁。

3 程序流程图

图5 主程序流程图

如图6为程序流程图，以5ms作为启动主循环时间，对所有控制量（开关量和模拟量）集中处理，提高处理效率；采用散转结构，实现模块化编程，可实现无扰动重入。系统设置了若干电流比例，用于测试系统电流分配的灵活性，由此证明各模块负荷可有效分配。

4 系统测试结果

表1～3是根据程序设计而获得的不同电流比例的测量结果。实验结果表明，采用最大电流型均流控制法实现并联电源电流分配方案可行，效果理想。由于最小步进电流值约为6mA，因此，如果要提高精度可采用更高级别的DA转换器。

表1 I0在1A内按11自动分配

表2 I0在1.0－1.4A内按12自动分配

表3 I0在1.4－2.0A内由按键设置电流分配

5 结 论

系统实现以PIC16F877A单片机为控制核心，TL494为DC－DC主变换模块，实现两路电流按设计要求自动分配功能，效果理想、性能可靠；表明了并联供电系统的设计方案可行、实用；如果输出功率较大，功率管可采用MOS管或IGBT。根据该技术可拓展N＋m冗余并联，满足工程上的需要。

［1］马骏，杜青，罗军，等.一种开关电源并联系统自动均流技术的研究［J］.电源技术，2011，135（8）：969－973.

［2］蔡宣三.并联开关电源的均流技术［J］.电工电能新技术，1995，3：12－16.

［3］田浩，杨向宇，张伟刚，等.电源模块并联供电的冗余结构及均流技术［J］.电源技术应用，2004，7（2）：114－117.

［4］张敏娟，尹斌.开关电源均流技术［J］.电工技术，2004，8：50－52.

［5］白炳良，周慰君.基于TL494开关电源的设计［J］.大学物理实验，2009，22（2）：73－78.

［6］张华林，周小方.电子设计竞赛实训教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007，7：224－227.