吴雪峰，刘教瑜，王晨光

(武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

电源是电力电子设备的核心，其可靠性与性能将直接影响到整个电力设备的性能。但是随着设备的升级与性能的大幅度提升，其对电源的要求也越来越高，单一的电源供电已经无法满足许多高功率设备的要求了。采用多个低功率输出电源的并联是一种有效的方法[1]，本文基于此提出了一种新型的开关电源并联供电系统。

开关电源的并联不能简单的将输出端直接的并联。因为两个电源模块在各个性能参数上不可能完全匹配，特别是输出电压[2]。如果直接的并联，输出电压高的将会把输出电压低的作为负载，在空载的情况下，这是很不安全的。而且在带载情况下两电源的电流输出也可能不会均等，这在重载情况下可能会出现一方严重过载而另一方还未达到额定状态的现象[3]。因此保证输出电压稳定、保证各个电源模块电流均衡是通过并联方式增大电源功率方案的基本要求。

1 并联供电的技术分析

1.1 并联均流方法

目前成型的多并联均流方案有许多种，常用的均流方法有:下垂法、主从设置法、外部控制电路法、平均电流型自动均流法及最大电流自动均流法等[4]。

主从模块设置法是将所有并联的模块分为主从两个部分，主控模块配被一个电压调节器，用于调节各并联模块的输出电压值;余下的部分为从模块部分，它们工作在电流反馈模式下。这种方法能够及时调整各模块的输出特性参数，限制波动值的大小，均流效果很好。原理图如图1所示。

图1 主从模块法原理示意图

图1中，模块1为主模块，模块2为从模块(图1为主从模块设置法的最简形式，在一般情况下，主模块只有1个，但是从模块可以有多个)。模块1属于电压控制型，模块2属于电流控制型。Vr与Vf分别为主模块的基准电压与反馈电压，二者的差值Ve为误差电压，Ve与Vi1的比值大小用于控制PWM的脉宽产生输出电压，控制驱动器的工作。主模块的电压误差Ve经跟随器输入从模块，这样就保证了主从模块的调整参数的一致性，从而实现了均流。

1.2 同步整流技术

目前开关电源的效率越来越高，成熟的集成芯片如LM2576，其开关效率达70%以上。但是在电流较大的场合时，续流二极管由于正向导通压降较大，如果输出电压较高，损耗将会很大。因此开关电源的输出电压均较低。同步整流技术则采用低导通电阻的功率MOS管代替续流二极管，这样在保证效率的同时，又进一步的降低了功率。

本文提出的是一种基于主从模块设置均流法的改进方法，并联供电系统采用电压、电流反馈控制，同时在此基础上加入控制器，可以设定各个模块的电流值，以满足在实际情况下需要人为设定各个模块负载电流大小的要求。在并联供电的各个开关电源模块中应用同步整流技术，降低开关电源在低压输出时续流二极管上的功率损耗。

2 并联均流系统设计

2.1 系统方案综述

本设计的系统框图如下图2所示。

图2 系统框图

本系统通过PWM控制与驱动芯片TL494驱动N沟道MOS管IRF540N构成BUCK斩波电路进行DC－DC转换。将外部24 V直流电经过DC－DC恒压模块转变为恒定8 V电压给负载供电。系统对负载的电压进行采样并运用反馈调节方式控制实现恒定电压输出;对流过恒流模块的电流通过康铜丝采样电阻和放大电路进行采样，并通过反馈调节控制其电流恒流输出;同时单片机通过A/D模数转换采集负载电流，按分流比例计算后通过DA控制从路模块，从而实现按比例分流。另外系统可以根据键盘的输入选择自动调节电流比例模式或手动调节电流比例模式，并在液晶上实时显示输出的电压，电流等数据。

2.2 硬件设计

DC－DC恒压模块电路如图3所示，本模块采用BUCK拓扑结构，主要由TL494、IR2110组成。TL494是一款可调 PWM频率的反馈自动调节PWM占空比的芯片。TL494电路主要输出可调占空比的12 V PWM波形，PWM波形的输出通过CD4069反相器分别接到专用驱动集成电路芯片IR2110的高低输入口。驱动电路交替驱动导通功率MOSFET，实现DC－DC降压输出。并联均流的各个开关电源模块均采用同步整流技术，用通态电阻极低的专用功率MOSFET来取代续流二极管以降低续流二极管上的损耗，进一步降低了系统的功率损耗，提高了转换效率[5－6]。电路图如图3、图4所示。

DC－DC恒流本模块采用电流跟随模式，它的基本理和设计参数基本与DC－DC恒压模块一样。不同是恒压模块以自身输出电压作为反馈电压;而在从模块中，将电流经高侧电流监视器INA168采样转换为一定比例的电压信号连接到反馈段与基准值比较。单片机可以通过DA给定来控制恒流模块从而得到设定的电流值。电路如图5所示。电流采样电路采用专用的高侧电流监视器INA168， 其 输入共模电压可以高达 +60 V，当康铜丝选取 0.1 Ω时，可以测量0－5 A以内的电流，能够+5 V单电源供电。其电路图如图6所示。

图7 软件流程图

2.3 软件设计

软件在本系统设计中起到很大作用，软件设计流程是，先对系统进行初始化，默认设定一个分配比例，之后进入设定界面，设定电流分配比例值和过流保护电流大小，之后进入总运行状态，本系统除了提供一般的显示、按键控制功能外，其优越点在于加入了软件PID调节[7]，与硬件PID调节相比，软件PID调节更加方便，与第一层反馈电路配合，减少了电路复杂度，软硬两层反馈回路，提高了系统输出稳定性。同时系统还通过软件对输入单片机的电流信号实现数字滤波，提高了采样精度和准确度。程序流程如下图7。

3 测试结果与总结

3.1 测试方法

测试框图如图8所示，通过键盘设定电流输出比例，查看电流表2和表3的值，即能验证实际输出电流比例的大小，同时读取电压表的值，计算出整个系统的效率。

图8 测试框图

3.2 结果分析

测试数据如表1

表1 并联供电系统实测数据

通过测试的结果可以看出，本系统具有该系统具有调整速度快，精度高，电压调整率，负载调整率，效率高等优点，同时具有液晶显示功能，实现开关电源的并联供电。

4 结束语

并联运行系统必须引入有效的负载分配控制策略，以防止并联系统电流分配超出了各个模块开关电源负载能力。本文提出了一种新型的基于电压电流反馈控制的开关电源并联供电方法，将同步整流技术应用于各个开关电源模块，在DC/DC变换器中用用通态电阻低的专用功率MOSFET来取代续流二极管。并联系统实现按设定比例分配电流和在输出低压时仍能高效供电的目的，具有一定的实用价值。

[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，2011，35(8):969 －971，973.

[2]王兆安，刘进军.《电力电子技术》(第5版)[M].西安:西安交通大学，机械工业出版社.2011.

[3]沙占友，王彦朋，于鹏.同步整流技术及其在DC/DC变换器中的应用[J].电源技术应用，2004，7(12):723 －727.

[4]韦聪颖，张波.开关电源并联及其均流技术[J].电气自动化，2004，26(2):13－14.

[5]谢勤岚，陈红，陶秋生.开关电源并联系统的均流技术[J].舰船电子工程，2003，23(4):75 －78.

[6]高玉峰，胡旭杰，陈涛，等.开关电源模块并联均流系统的研究[J].电源技术，2011，35(2):210 －212.

[7]魏英智.数字PID控制算法在温控系统中的应用[J].现代电子技术，2010，33(17):157－159.