开关电源专项方案改.doc

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】

9月6日

摘 要
本设计以DC/DC并联变换电路为核心，设计电路重要是DC/DC并联变换电路，它包括了开关电源中开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件和控制模块，同步设计具备输出限流保护和输入欠压保护功能。
在实际使用过程并不是简朴把各个电源并联使用就可以让电源平均承担功率。这是由于电源各自参数分散性，使得每个电源开路电压和内阻均会存在差别，普通开关电源内阻都非常小，因而开路电压很小差别就会导致各电源输出电流有较大差别，这种状态会导致各个电源寿命衰减不一致，达不到电源可靠性和稳定性规定。
核心字：PWM调制 DC/DC变换器 buck降压 SG2524

Abstract ：This design to DC/DC parallel transform circuit as the core，the design of main circuit is DC/DC parallel transform circuit，it contains the switch power supply switch device，energy storage device of pulse transformer,，filter，output power components and advantages on all the control module，and designed with output limit current protection and input voltage protection function.
In actual use process and not simple to use all the power parallel can make power average bear power. This is because the power of each parameter dispersion，make each of the power supply voltage and are open internal differences，usually of switc power resistance are very small，so the difference of small open voltage will lead to the power output current with a bigger difference，the state will lead to the life of each power does not agree，can not reach the attenuation of the power supply reliability and stability of the requirements

目 录

1系统方案 1
1.1 DC/DC并联模块论证与选取 1
1.2 控制系统论证与选取 1
2系统理论分析与计算 2
2.1 DC/DC并联模块分析 2
2.1.1 BUCK并联电路分析 2
2.1.2 SG2524分析 2
2.2 DC/DC并联模块计算 3
2.2.1 buck并联电路计算 3
2.2.2储能电感选取 3
2.2.3输出二极管D和输出电容器C选取 3
3电路设计 4
3.1电路设计 4
3.1.1系统总体框图 4
3.1.2DC/DC子系统框图与电路原理图 5
3.1.3电源 5
4测试方案与测试成果 6
4.1测试方案 6
4.2 测试条件与仪器 6
4.3 测试成果及分析 7
4.3.1测试成果(数据) 7
4.3.2测试分析与结论 7
附录1：电路原理图 8

开关电源模块并联供电系统（A题）
【本科组】
1系统方案
本系统重要由DC/DC并联模块、采样和保护模块构成，下面分别论证这几种模块选取。
1.1 DC/DC并联模块论证与选取
方案一：采用 PWM 控制芯片
采用 TI 公司脉宽调制控制器 LM331 作为 BUCK 型拓扑扩流 PWM 控制芯片。LM331最高工作频率 300KHz，内有两个误差信号比较器，能同步实现电压模式和电流模式控制，以便做过流保护；但由于 BUCK 型拓扑 MOS 管驱动需外加上管驱动芯片LM324，而LM324会有 0.2W 左右功耗，对于仅 5W 输出电源来说，会消耗掉 4 个百分点效率。
方案二：UC3843
采用单片开关电源专用控制芯片UC3843、大功率开关管MOSFET。它应用电路图如1.1
图1.1
使用单开关管，能减少开关管损耗，且控制容易，电路较为简洁，但在功率较高状况下，电感设计规定较高，经验成分多，设计不好会导致过大冲击电流，影响效率也容易使开关管损坏。
长处是转换效率高，电压在一定范畴内可调，缺陷是电路较复杂，电流小步幅精准调节范畴困难。
方案三：采用SG2524
SG3524内部包括基准电压源UREF、振荡器OSC、比较器C、误差放大器E/A、触发器FF、限流保护比较器CL、输出关断电路和两只输出晶体管Ql、Q2等。这种控制器除能应用于单端调宽型开关电源中作为控制器外，还能作为推挽、半桥、全桥开关电源控制器。该控制器引脚10关断端与外电路恰当连接后可具备限流保护功能。控制器误差比较器输出端除了与内部比较器反相端相连外，还与引脚9相接。引脚9为补偿端，。在补偿端引脚9还可以加入程控制信号，对开关电源实现程序控制。外接其她电路，只要能从引脚9拉出200μA电流，就能关断控制器输出。控制器最高工作频率为350kHz，普通均工作在100kHz如下。应用电路如图1.2.　　

图1.2

综合以上三种方案，为了使系统有较高效率和可靠性，本设计选取方案三。

2系统理论分析与计算
2.1 DC/DC并联模块分析
2.1.1BUCK并联电路分析
Buck电路中电感L和电容C构成低通滤波器，使输出分量直流分量可以通过，抑制输出电压开关频率及其谐波分量通过，一种周期T内，开关器件接通时间t所占整个周期T比例为占空比D;

Fs=1/Ts=switching frequency

Buck电路中，占空比越大，负载上得到电压也越高。正常工作模式中，输出电压Vout与Vin关系是：
Vout=（1-D）/Vin

在并联多相DC/DC变换器中，各模块承受电流应自动平衡。DC/DC变换器并联均流是要解决核心问题，若不均流则会导致各模块功率不均衡，从而减少整个系统稳定性。数字控制技术易于变化均流控制方案，便于实现电源控制。本方案使用精准PWM波实现均流，不采用电流传感器办法，通过对占空比补偿来控制电流。两相并联buck变换器，使用同步整流取代续流二极管，从而实现低压大电流输出。
2.1.2 SG2524分析
SG2524是一种固定频率脉冲宽度调制（PWM）电压调节器控制电路。该稳压器工作在固定频率是由一种定期电阻RT和一种定期电容，CT编程。RT建立了CT恒定充电电流。在一种CT线性斜坡电压，这是美联储对这样成果比较器，提供了错误放大器输出脉冲持续时间线性控制（宽)。包括SG2524板载5V稳压器，作为参照服务，以及提供SG2524内部稳压器控制电路。内部参照电压分为外部由一种电阻梯形网络提供了参照范畴内错误放大器共模范畴，或外部参照可以使用。
检测由电阻分压器网络和误差信号放大。该电压然后比在CT线性电压斜坡。由此产生调制脉冲高增益比较出来，然后是带领到恰当输出晶体管（Q1或Q2）由脉冲转向触发器，它是同步切换振荡器输出。振荡器输出脉冲也可保证两个输出都从来没有在一种消隐脉冲同步在过渡时期。该消隐脉冲持续时间控制CT值。该输出可以应用在推拉式配备，其中频率是一半基振荡器，或并联单端应用中，频率等于振荡器。该错误输出放大器共享一种共同输入到比较器电流限制和关断电路，可从这些输入信号或覆盖。这一点是共同外部引出通过COMP引脚，可以用来要么控制误差放大器增益或补偿它。此外，COMP引脚可以可用来提供额外控制调节。
2.2 DC/DC并联模块计算
2.2.1 buck并联电路计算
Buck电路中电感L和电容C构成低通滤波器，使输出分量直流分量可以通过，抑制输出电压开关频率及其谐波分量通过，一种周期T内，开关器件接通时间t所占整个周期T比例为占空比D;

输入电容器设计：

2.2.2储能电感选取
由于开关频率f对DCDC电路变化效率影响特别大，如果f太高，可以使充电电感和滤波电容得体积减小，但充电电感涡流损耗、磁滞损耗及其她元件分别参数影响导致其她元件损耗加大。如果f太低，充电电感和滤波电容体积就会越大，在保证充电电感前提下，线圈匝数增多，铜丝损耗加大

2.2.3输出二极管D和输出电容器C选取
升压电路中输出二极管D必要承受和输出电压值相等反向电压，并传导负载所需最大电流。二极管峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本 电路可选用6A／50V以上快恢复二极管，若采用正向压减少肖特基二极管，整个电路效率将得到提高。输出电容C2选定取决于对输出纹波电压规定，纹波电压与电容等效串联电阻ESR关于，电容器容许纹波电流要不不大于电路中纹波电流。
3电路设计
3.1系统总体框图
系统总体框图如图3.1所示，重要由DC/DC并联模块和采样保护电路构成。

DC/DC并联模块
DC/DC并联模块

方向保护 二极管
方向保护 二极管

电流
取样
电流
取样

负载

图3.1 系统总体框图
3.2单片DC/DC模块框图与电路原理图
单片DC/DC模块框图如图3.2所示，电路图如3.3所示。

24V直流 输入

Buck电路
二极管 保护

电流取样

8V输出

图3.2 单片DC/DC系统框图

图3.3 DC/DC并联推挽输出原理图
3.3电源
稳压电源，为整个系统提供24v电压，保证电路正常稳定工作。
4测试方案与测试成果
4.1测试方案
1、硬件测试
对进行DC/DC并联电路模块测试，输入24V直流电压可输出8V/2A稳定直流，在进行整机系统测试。分别各模块指标、负载调节率、整机效率如测试成果所示。

4.2 测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必要与系统原理图完全相似，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：双路可跟踪直流稳压电路，数字万用表。
4.3 测试成果及分析
4.3.1测试成果(数据)
整机效率：
输入电压
输入电流
输出电压
输出电流
整机效率
24V
0.9A
8V
2.0A
74%

负载调节率
在规定范畴内变化负载值，测量输出端电压与电流值
负载
4Ω
6Ω
8Ω
10Ω
输出电压
7.72V
7.68V
8.01V
8.09V
输出总电流I0
2.17A
1.37A
1.02A
0.82A
输出支路电流I1
1.17A
0.78A
0.59A
0.41A
输出支路电流I2
1.00A
0.59A
0.43A
0.41A

4.3.2测试分析与结论
依照上述测试数据，系统输入稳定24V直流电压可输出8V/2.2A直流电压，加入不同负载后电流有明显变化，电压基本无变化，由此可以得出如下结论：
1、本系统可输出稳定8V直流电压。
2、系统可实现均流功能流,通过电位器调节可变化两路电流变化,且两路电流之和等于总电流.
3、本系统支持高达5A电流输出,且功率在60%以上,电流电压输出稳定.
综上所述，本设计达到设计规定。

参照文献:
[1] 高吉祥．全国大学生电子设计大赛培训系列教程．北京：电子工业出版社，．
[2]谢嘉奎.电子线路非线性别分.北京：高等教诲出版社，.5
[3]于洪珍.通信电子电路.北京：电子工业出版社，
[4]黄智伟.集成电子技术基本教程.北京：高等教诲出版社，
[5]刘光祜、饶妮妮 模仿电路基本 电子科技大学出版社
[6]华成英、童诗白 模仿电子技术基本 高等教诲出版社

附录1：电路原理图