开关电源模块并联供电系统(A组)

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2011年全国大学生电子设计竞赛

开关电源模块并联供电系统（A题）

【本科组】

2011年9月3日 2

目 录

1系统方案 ........................................................................................................................................ 3

1.1 PWM控制模块的论证与选择 .......................................................................................... 3

1.2 开关模块的论证与选择 .................................................................................................... 3

1.3 降压模块的论证与选择 .................................................................................................... 4

1.4电流采样模块的论证与选择…………………………………………………………….5

2系统理论分析与计算 .................................................................................................................... 6

2.1 PWM控制模块的分析 ...................................................................................................... 6

2.2 POMS开关模块的分析 ..................................................................................................... 7

2.3 BUCK降压模块的分析 ..................................................................................................... 7

2.4 电流采样模块的分析…………………………………………………………………….8

3电路设计 ........................................................................................................................................ 8

3.1电路的设计 ......................................................................................................................... 8

4测试方案与测试结果 .................................................................................................................. 10

4.1测试方案 ........................................................................................................................... 10

4.2 测试条件与仪器 .............................................................................................................. 10

4.3 测试结果及分析 .............................................................................................................. 10

4.3.1测试结果(数据) ..................................................................................................... 10

4.3.2发挥部分的测试 .................................................................................................... 10

4.3.3 测试分析与结论………………………………………………………………… 11

5 参考文献………………………………………………………………………………………..12

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开关电源模块并联供电系统

摘要：本设计由四个模块电路构成：PWM控制模块，开关模块，降压模块，电流采样模块。开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，而近年电流型PWM技术得到了飞速发展。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。DC-DC变换器采用基于UC3843的单端反激式开关电源，具有效率高，输出电压范围宽，输出电流大的特点。

关键字：PWM、开关控制、均流恒流、DC-DC并联

1系统方案

本系统主要由PWM控制模块，开关模块，降压模块，电流采样模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 PWM控制模块的论证与选择

方案一：采用分立元件PWM控制电路。但是不易实现高效率输出。

方案二：采用TL494为核心芯片做控制的单端PWM降压型开关稳压电路。在恒定频率的PWM通断中，控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压与锯齿波性比较而产生的。在PWM控制中，这一频率保持不变，频率范围为几千赫兹到几百千赫兹，当放大的偏差信号电平高于锯齿波的电平时，比较器输出高电平，这一高电平的控制信号导致开关导通，否则，开关处于关断状态。但此方案对于DC-DC模块的并联供电而言过于复杂。

方案三：采用基于UC3843芯片的PWM控制电路。UC3843是一种高性能固定频率电流型控制器，相比电压型PWM电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.2 开关模块的论证与选择

在功率系统中，MOSFET可被看成电气开关。首先要进行MOSFET的选择，MOSFET有两大类型：N沟道和P沟道。

方案一: 在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。

方案二：当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。通常，一个PMOS管，会有寄生的二极管存在，该二极管的作用是防止源漏端反接，对于PMOS而言，比起NMOS的优势在于它的开启电压可以为0，而DS电压之间电压相差不大，而NMOS的导通条件要求VGS要大于阈值，这将导致控制电压必然大于所需的电压，会出现不必要的麻烦。 4

综合以上两种方案，选择方案二。

1.3降压模块的论证与选择

方案一：采用BUCK降压电路，如图1所示，在开关管导通时，电源给电感充电；在开关管截止时，因为电感电流不能突变，因此，电感将通过续流二极管对输出端的电容进行充电。通过对功率管的开关频率(PFM模式)、或者开关占空比(PWM模式)、或者两者同时控制(PFM．PWM模式)，达到稳定输出电压的目的。

图1 BUCK降压式电路图

在要求高效率的应用中，用一个MOSFET来替代续流二极管。这称之为同步整流。

同步整流意味着在开关管截止时，不需用外部二极管把储能元件连接到地来保持续流，在截止期间，内部的同步整流管能有效地被激励。同步整流的优点是在整流管导通时所产生的压降比续流二极管低，因此电源效率得到进一步提高。

方案二：采用电容降压式简易电源的基本电路如图2，C1为降压电容器，D2为半波整流二极管，D1在市电的负半周时给C1提供放电回路，D3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。

图2 电容降压式电路图

方案比较与论证：采用电容降压整流后未经稳压的直流电压一般会高于30伏，并且会随负载电流的变化发生很大的波动，这是因为此类电源内阻很大的缘故所致，故不适合大电流供电的应用场合。

综合以上两种方案，选择方案一。

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1.4电流采样模块的论证与选择

方案一：采用主从均流控制，如下图中的电压检测是从并联的公共点得到，与设定的基准相比较，经过校正后输出的是并联模块的电流基准，各个模块的输出电流跟随这个电流基准，这样就能实现均流控制。这种方法不能使各个模块分离开，并联控制不灵活。

图3 主从均流控制

方案二：采用电压型DC／DC的均流控制。电压型的控制比较简单，各个模块的输出电流通过均流线相连，均流线上是平均电流信号，每个模块通过电流误差信号来调整电压设定的基准，这样能调节外特性，使每个模块在工作点处的输出电压与电流点重合，从而实现了均流控制。这种控制本质上来说是电压型的控制，它不具备电流型控制的优点。

图4 电压型均流控制

方案三：采用平均电流型均流控制方法。它是通过电流误差信号来调整电压的基准，此调整后的电压基准与模块的检测电压相比较产生电压误差信号，经过校正后作为电流基准，输出电流将跟随这个电流，从而实现了各个模块的均流控制。由于每个模块本身就是电流型的，动态特性本身就比较好，而且输出特性也同单个模块没有差别，参与并联的模块可以独立工作，并联非常灵活。

图5 平均电流型均流控制