开关电源模块并联供电系统.docx
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开关电源模块并联供电系统
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】
西安交通大学城市学院
卫廉王卫冯楠
2011年9月3日
摘要
本系统以BUCK降压斩波电路为核心，以SG3525为主控制器产生控制PWM信号，根据电压电流双闭环反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现调整负载电阻至额定输出功率工作状态，供电系统的直流输出电压在8.0V左右。
同时系统具有输出过流保护和输入欠压保护功能。
平均电流内环控制，最大电流限制，以及电流自动分配。
系统步进电流为0.5A，输出电压范围为7.6V-8.4V，输出电流为1A。
输出功率16W。
反馈信号控制芯片SG3525形成闭环反馈回路。
本系统具有调整速度快，精度高，控制性能稳定、电压调整率低，负载调整率低，效率高，无需另加辅助电源板，输出纹波小等特点。
关键词：
SG3525；开关电源；BUCK电路；电压电流双闭环控制
开关电源模块并联供电系统（A题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由开关电源主电路、反馈控制模块、驱动信号发生模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
图1系统总体框图
1.1DC-DC模块的论证与选择
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式虽然安全，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的极大降低，而本题没有要求输入输出隔离，所以选择非隔离方式，具体有以下几种方案：
方案一：
降压斩波电路（BUCK）形式。
开关管Q受占空比为D的PWM波的控制，交替导通或截止，再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出电压Uo。
该电路属于降压型电路，达只要电感绕制合理，能达到题目要求的8V的输出电压，且输出电压Uo呈现连续平滑的特性，系统效率高。
方案二：
串并联开关电路（半桥）形式。
实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。
用电感的储能特性来实现升降压，电路控制复杂，需要两只开关管的驱动信号有一定延时防止短路。
同时由于电路中存在两个开关管，是损耗增加。
综合比较，基于本题需要降压，故选择方案一。
1.2反馈控制模块的论证与选择
方案一：
电压负反馈控制，电压负反馈控制简单，效果明显，但稳定性差，一旦反馈被破坏就会导致主电路不稳定。
而且本系统需要对两个DC-DC的输出电流进行控制，故电压反馈不适合本系统。
方案二：
电流负反馈控制，电流负反馈控制简单，在主电路中的低端通过电阻对电流转换电压信号反馈。
但稳定性差，只能稳流，对输出稳压效果不大。
故不采用此方案。
方案三：
电流电压双闭环反馈控制。
通过电压外环来控制电流内环，此方案控制较前两种稍显复杂，但系统稳定性十分出色，即稳压又稳流，十分适合本系统对电压电流的要求。
综合以上三种方案，选择方案三。
1.3驱动信号发生模块的论证与选择
方案一：
采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D采样后的反馈电压程控改变PWM信号的占空比，使输出电压稳定在设定值。
负载电流在主电路的低端的电阻上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。
该方案主要由软件实现，效率较高，但控制算法比较复杂，数据处理较复杂，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来过于复杂。
方案二：
采用恒频脉宽调制控制器SG3525，此芯片输出级采用推挽电路，双信道输出，工作频率为100HZ--400KHz，还具有欠压切断、可编程软起动等特点。
每一信道的驱动电流最大值达500mA，灌电流可到达200mA。
能够直接驱动功率GTR和功率MOS管。
具有输入欠压锁定功能，死区时间可以调整，输出信号较灵活。
方案三：
采用TI的UC3842芯片，可以十分简单的组成峰值电流控制。
并且应该用广泛，但是由于峰值电流控制容易出现电流断续，但是功率管在占空比大于50%时，必须进行斜坡补偿，不能稳定工作，同时也可能产生次谐波振荡。
鉴于上面分析，选用方案二。
2系统理论分析与计算
2.1BUCK电路的分析
2.1.1电流的连续与断续模式
在BUCK电路中，电感电流存在两种模式，即电流连续和电流断续模式。
由于电感对电流上升率的限制，使得电感电流可能在一个开关周期内存在连续和断续两种模式。
在连续模式时，电感量要求比较大，开关电流的峰值比较低。
但是具有良好的EMI特性。
在断续模式下，主开关管的电流峰值会比较高，使得开关损耗加剧。
本方案采用平均电流控制，因此电流工作在连续电流模式下更为合适。
2.1.2MOSFET的驱动
MOSFET的驱动方式有多种，比较常用的是直接驱动，推挽驱动，光耦隔离驱动，
自举驱动和专用芯片驱动。
为了达到PWM驱动信号和功率电路没有电气连接或者开关管在高端时，需要采用隔离驱动。
在隔离驱动中，光耦驱动是最为常用的一种，因此我们采用光耦隔离驱动。
2.2相关参数的计算
2.2.1占空比D
（Vi-Vo）*Ton/L=Vo*Toff/L
D=Vo/Vi
D—占空比
2.2.2电感
dIL=（Vi-Vo）*Ton/L
dIL=0.2IL=0.2Ion
L=5（Vi-Vo）Vo*T/（Vi*Io）
IL_avg=Io
IL_peak=1.1Io
IL_rms=ILavg*（1+0.22/12）0.5
3电路设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图1所示：
图1系统总体框图
3.1.2主电路系统框图与电路原理图
1、主电路系统框图
图2主电路系统框图
3.1.3控制电路模块框图与电路原理图
图7是SG3525的内部原理图。
图7SG525内部原理图
图8PWM波发生器电路原理图
SG3525是一种性能优良、功能齐全、通用性强的单片集成脉宽调制控制器，由于它简单可靠及使用方便灵活，大大简化了控制电路的设计及调试，其内部结构见图6。
SG3525主要由以下几部分构成：
（1）参考调压器。
参考调压器输出电压为5．1V，且有短路保护。
它供给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压；
（2）振荡器。
振荡器产生后沿较陡的锯齿波，改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率，即振荡器的振荡频率；（3）误差放大器及补偿输入。
误差放大器是差动输入的放大器；（4）PWM锁存器。
PWM锁存器接受比较器的输出信号，它有关闭电路和振荡器输出时间脉冲复位。
这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。
另外，由于PWM锁存器将比较器来的置位信号锁存，消除了系统所有的跳动和振荡信号，只有在下一个时钟周期才能重新复位，有利于提高可靠性，经过锁存器的输出为PWM；（5）输出。
ll、14脚能输出两路占空比相等，且相位相差180度的驱动信号，所以适合于用来实现对非隔离型三电平变换器的PWM控制。
此外，SG3525还有欠压锁定电路、闭锁控制电路。
4调试方案与测试结果
4.1调试方案
本系统调试分三个阶段：
主电路开环调试，电流内环负反馈控制，电压外环电流内环负反馈控制。
1、主电路开环调试：
断开电压外环，将电流的给定位恒定值，使得占空比保持不变。
从而产生稳定的输出电压，同时改变给定，可以改变占空比，进而改变输出电压的值。
2、电流内环负反馈控制：
在主电路的低侧串联电阻进行电流取样，电流信号经过调理后于给定电流信号做插并进行PID调节，PID调节的结果可以改变输出占空比，从而使得输出跟随给定信号。
达到了是输出电流保持不变的目的。
3、电压外环负反馈控制：
在电流内环的基础上，对输出电压进取样，同时将其与给定的电压信号的差进行PID调节，其结果作为电流内环的给定信号，电流的反馈信号将于这个给定信号做差后进行PID调节改变占空比，使得输出电压和电流可以跟随给定信号。
4.2测试条件与仪器
测试使用的仪器设备如表4.1所示。
表4-1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
数英TFG2006
2
DDS数字信号发生器
2
泰克TDS2002
1
数字双踪示波器
4.3测试结果及分析
4.3.1测试分析与结论
通过测试，可以得出以下结论：
1、电路拓扑结构简单，具有十分广泛的应用
2、BUCK电路可以十分高效的进行直流功率转换
3、在电流电压双环的控制下，使得输出可以承受大强度扰动。
5附件
5.1主要元器件清单：
SG3525;
TPS2812;
6N137;
IRF540;
电容470uF/50VX2220uF/50VX24.7uF/50V
电阻10欧/5W
IA2412KS-2W
LM311
NE5532
OP07
18V稳压管
TL431
高频磁芯
漆包线
滑动变阻器
其他电阻电容若干
6总结
经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的部分要求，由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。
本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。
7 参考文献
1 《模拟电子技术基础》主编：
杨栓科高等教育出版社，2003
2 《电力电子技术》主编：
浣喜明姚为正高等教育出版社，2004
8附录
8.1附件五：
核心原理图与ＰＣＢ版图
由于开关电源的频率高，对外有干扰，并且本题指标要求高，抗干扰能力要求特别比较严格，所以我们选择了画PCB图，然后自行腐蚀，然后把线刻出，这样的话测试方便，抗干扰性能也好。
图9和图10分别是核心原理图和ＰＣＢ版图。
图12主电路的PCB图
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