基于stm32单片机的开关电源并联供电系统.doc

1摘摘 要要本系统以 STM32 单片机为主控制器，以 TL494 为核心，设计并实现一开关 电源并联供电系统系统由稳压模块、PWM 驱动模块和同步 BUCK 斩波电路构成 的 DC-DC 模块单片机显示控制模块四部分组成在 AD 采集到由电流互感器 CSM006NPT 的感应电压后，单片机通过 TL494 的 PWM 波控制两个恒流源实现了 输出电压恒定以及对输出电流任意比的控制本系统通过场效应管 IRF3205 代 替续流二极管减小损耗从而提高电源效率，并且利用 TL494 死区引脚实现过流 关断，有效的保护了电路，经测试，系统能够实现基础部分所有要求关键词：关键词：TL494；并联供电；同步 BUCK 斩波；恒流源；恒压1 1、、 方案设计方案设计1 1、、方案比较与论证方案比较与论证（1） DC/DC 拓扑结构 方案一：采用传统降压拓扑结构 LM2596 输出电压 1.2V~37V 可调，输出最高电流可达 3A，输出线性好负载可 调，系统效率高，可以用仅 80μA 的待机电流，实现外部断电，具有过流保护 功能，经调节后完全可实现题目的基本要求但是 LM2596 内部电阻导通电阻相 对较大，同时续流二极管的损耗较大，只能作为开关电源稳压模块，不满足系 统对 DC-DC 模块高效率高效率的要求。

方案二：采用同步整流 BUCK 结构 采用具有同步整流的 BUCK 结构，利用 MOS 管 IRF3205 代替二极管续流， IRF3205 是具有极低阻抗（开态电阻为 8ｍΩ） ，电压典型值为 55V，电流续流 连续 110A，175℃运行温度，具有快速转换速率，无铅环保等优点考虑到系 统 MOS 管导通电阻低，效率比传统 BUCK 高，为了满足扩展部分效率尽可能高的 要求，本作品选用同步 BUCK 拓扑结构2）均流控制方案 方案一：主从法 在并联运行的电源模块单元中，选定一个工作于电压源方式电源模块单元作 为主电源模块，另一个工作于电流源方式电源模块作为从流电源模块主模块 直接调整电压，从电源模块设置电流分配但是在这种方式下，一旦主模块失 效，则整个系统崩溃，不具备冗余功能 方案二：平均电流自动均流法 这种方法不用外加均流控制器，在个电源模块单元间接一条公共均流母线 CSB，均流母线的电压 Ub 为 N 个电源模块代表各自输出电流的电压信号 Ui 的平 均值（即代表电源系统的平均电流） Ub 与每个电源模块的取样电压比较后， 通过调整放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流 的目的。

平均电流法可以精确的实现均流，但当公共母线 CSB 发生短路或接在 母线的任一电源模块单元不工作时，使 CSB 电压下降，结果促使个电源模块输2出电压下调，可能达到下限值，引起电源系统故障 方案三：恒流源并联电流反馈控制法 采用两个恒流源直接并联方式，通过 AD 采样电流互感器的感应电压，转化 为电流反馈给单片机，单片机最后通过 TL494 的 PWM 波控制输出电流的比例份 额及大小从而控制输出电流和电压，形成一种闭环电流反馈控制模式同时恒 流源并联可实现冗余热备份功能因此最终使用方案三3）过流保护 方案一：软件控制方法通过采样电阻两端的电压计算出 Io 值，经 A/D 转 换模块将电流值反馈给单片机，当检测电流值超过 4.5A 时将 TL494 芯片的 4 脚 拉高，降低 PWM 波占空比为 0，使输出电流减小 方案二：电流互感器采集反馈电压，转化为支路电流，当两路 DC 模块电流 和大于 4.5A 时，将 DA 预置值设置为 2.5V，即将输出电流设置为 0A. 方案二：在输出电路中串入可自恢复保险丝，当电流大于 4.5A 时，自恢复 保险丝由低阻抗转为高阻抗切断电路电流降低后可恢复正常工作。

综上，我们采用方案一和方案二两种过流保护相结合的方式，确保能够起到 过流保护的目的2 2、总体、总体方案方案（1）总体思路 以 STM32 单片机为控制器，通过键盘可设置负载电压值和两条并联 BUCK 电 路输出电流比在电流互感器 CSM006NPT 采样到反馈电流和 AD 采集到负载电压 后，单片机通过 TL494 输出 PWM 波的占空比的改变控制两个恒流源的 BUCK 电路 输出，从而达到控制输出电流比和输出电压恒定 （2）系统总体框图（（8 8V V））D DC C/ /D DC C2 2D DC C/ /D DC C1 1R RL L( (恒恒流流模模式式) )I I1 1I I2 2I I1 1+ +I I2 2BuckK1电电流流比比例例1 1C CS SM M0 00 06 6N NP PT T 电电流流采采样样( (恒恒流流模模式式) )BuckK2STM32单单片片机机输输出出电电 压压设设定定电电压压反反馈馈控控 制制 母母 线线均均流流比比 例例设设定定调调整整K1、、K2（（K））电电流流比比例例2 2PWMPWM电电 压压 采采 样样C CS SM M0 00 06 6N NP PT T 电电流流采采样样图 1 系统总体框图32 2、、 理论分析计算理论分析计算1 1、、BUCKBUCK 并联恒流源电流分配并联恒流源电流分配由于电流源可以并联，根据负载 R 电压为 8V 固定，可知负载 R 上电流为 BUCK 电路并联两恒流源电流之和，同时根据设定支路一与支路二电流比为 K， 可知：= = （欧姆定律）I总8R= = + + (基尔霍夫电流定律 KCL)I总1I2I=K12II得：= =；= = 即为两 BUCK 并联支路恒流源电流设定值。

1I8 (1)K RK2I8 (1)RK上电系统初始化后，两个 BUCK 支路电流默认按 1:1 方式步进增加直到 AD 采集的负载电压为 8V，通过检测按键得出 K（电流比例）值变化，在保证电压 在一定范围变化下先粗调再细调两支路电流值最终确保两支路电流按设定比例 输出2 2、、电压电流精度计算电压电流精度计算STM32 单片机内置 12 位 ADC 和 12 位 DAC，基准电压源为内部 3.3V，电压精 度可以达到 0.81mv，远远小于 0.4V，同时，霍尔式直流互感器 CSM006NPT 准确 的动态性能误差，AD 采集偏差 0.81mv 最大会导致 2.48mA 电0.31252.5UI 流误差，而题目发挥部分电流相对误差绝对值不大于 2%，即允许电流误差最小 为 0.5A*2%=4mA，满足题目对电压和电流精度的要求３、开关频率的选择３、开关频率的选择考虑到单片机的效率和为减小开关管的损耗，使开关管工作于音频以上， 同时为了防止两个模块电路出现差拍，本作品将两个模块的 PWM 信号错开 5KHz，通过 10K 滑动变阻器与 103（10000PF）电容调节 TL494 工作频率，从而 控制两路恒流源开关管分别工作于 20KHz 和 25KHz 频率。

4 4、、 滤波电容的选择滤波电容的选择根据设计需求，输出滤波电感选取 100uH，为输出允许纹波电压fLoU小于 100mV，为开关管工作频率，两路 DC 模块分别取 20KHz 和 25KHz，sf为输出额定电压值 8V，D 为工作占空比，系统稳定后占空比 D=50%由oV4，求得两路电容值分别为 124uF 和 79.86uF,分别取 125uFf2 o(1)C8UofsD V L f和 100uF 电解电容三、三、 硬件电路设计硬件电路设计1 1、稳压电路的设计、稳压电路的设计由于系统不允许使用线性电源模块，同时为了减轻程序调节闭环的压力， 因此选定一款耐压24V自带反馈的稳压芯片LM2596的开关稳压电路，参考 LM2596 的datasheet中应用实测电路图，稳压电路分别产生12V和5V电压，用于 给TL494和STM32单片机供电LM2596100uHC3 470uFR1D1 IN5825C1 470uF 电解电容+24V35124VINVOUTFBGND ONOFFR2C2 220uF 电解电容图 2 稳压电路设置2 2、、TL494PWMTL494PWM 波产生电路的设计波产生电路的设计TL494 是典型的脉宽调制型开关电源控制器，内置线性锯齿波振荡器，通过外接电阻和电容可以调节频率，频率计算公式为，内置误差放大器和osc T1.1f=R .TC 5V 精密基准电压，可将 TL494 的 4 脚串联一个 100uF 电解电容接到 TL494 的 14 脚基准电压输出，使得芯片上电后，给 4 脚一个充电过程，让 PWM 波的产生达 到一个从无到有，从小到大的过程，从而达到对死去时间的控制以及对电路缓 冲保护的作用。

不仅如此，当电流互感器检测出两路恒流源的总和大于 4.5A 时， 可通过单片机驱动电路将 TL494 的死去引脚（4 脚）拉高，关断 PWM 输出，之 后再重新启动，达到过流保护的目的53 3、、BUCKBUCK 驱动电路设计驱动电路设计该部分电路作为恒流源控制核心电路，PWM波产生来自于电流互感器采样 输出电流感应出的电压与单片机DA设定电压值的比较输出，同时利用导通内阻 只有8mΩ的MOS管IRF33205代替续流二极管，减小电路损耗利用两路相同的 BUCK驱动电路分别控制两路恒流源，最后并联输出图 4 BUCK 驱动电路的设计4 4、、系统测试系统测试1、测试条件和测试仪器设备、测试条件和测试仪器设备开关电源需要使用隔离电源将电路与大地隔离，使测试仪器如示波器可以 安全使用，电路需要对电流、电压和纹波进行测量，需要使用电压表和示波器， 设备如下表 1 所示 表表 1 1 测试使用的仪器设备测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注出厂编号1示波器 Tektronix1TektronixC0390702数控稳压源（隔离）1南京新联电子设备有限公司071000423数字万用表 UT58E6UNI-T—图 3 TL494PWM 产生电路62．测试方法和测试结果．测试方法和测试结果1、并联开关电源性能测试（手动调节）测试方法：手动调节滑动变阻器，六个电压表分别测量输入电压，输入INU电流，DC-DC 支路电流和，总输出电流，总输出电压。

INI1I2IoI0U表表 2 2 综合特性测试表（手动调节）综合特性测试表（手动调节）电流 和 I（A ）INUV（）INIA（）1I A（）（相对误差）2IA（）（相对误差）12II ：oIA（）0UV（）1.023.960.520.508（1.6%）0.502（0.4% ）1:11.0188.3674.41%1.523.300.710.973（0.6%）0.503（0.6% ）2:11.4828.3674.89%2.022.900.991.036（3.6%）1.021（2.0% ）1:12.0688.4076.53%3.522.201.651.469（2.06% ）2.015（0.75% ）3:43.5028.2078.39%4.022.411.741.969（1.55% ）1.999（0.5% ）1:13.9877.4576.208测试结果分析：手动调节情况下，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 7.6V 到 8.4V 之间，且系统平均效率在 74%以上，能 够达到效率 60%以上的要求，并且满足发挥部分进一步提高电源效率的要求 统在调整负载电阻，保持输出电压 UO=8.0±0.4V 的条件下，可以实现电流和 为 1A 时 1:1 可调，电流和为 1.5A 时 2:1 可调，电流和 2A 时 1:1 可调，电流和 3.5A 时 3:4 可调，电流和 4A 时 1：1 可调，同时每个模块的输出电流相对误差 的绝对值小于于。