A题-开关电源模块并联供电系统.doc

开关电源模块并联供电系统
摘要：
本开关电源模块并联供电系统由TPS5430构成的DC/DC开关电源和由INA333可调增益放大器及反馈构成的电流比例控制电路共同组成。两片TPS5430构成两路精度高且稳定的直流电源，两路电路并联且可实现均流，能按不同比例模式自动分配电流，比例可通过拨码开关手动设定，为负载提供恒定的8V直流电压，每路输出额定功率16W。系统结构简单，且供电效率最高可达94%。两路电流相对误差小，具有过流保护和自动恢复功能。

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本系统是由两个额定输出功率均为16W的8V DC/DC模块构成的可均流的并联供电系统。
一、系统基本功能：
1、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为8.0±0.4V，且供电系统效率不低于60%。
2、调整负载电阻，保持输出电压为8.0±0.4V时，两个模块输出电流之和为1.0A且两路能以1：1的模式自动分配电流，或者当两个模块输出电流之和1.5A时，两路能按1：2的模式自动分配电流，每个模块输出电流的相对误不大于5%。
3、调整负载电阻，保持输出电压为8.0±0.4V时，当使负载电流在1.5~3.5A之间变化时，两个模块的输出电流可在0.5~2.0A范围内按指定的比例自动分配，或者当使两个模块输出电流之和为4.0A且两个模块的电流按1:1 模式自动分配时，每个模块的输出电流的相对误不大于2%。
4、具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为 4.5A。
二、系统方案比较与选择：
方案一：
用两路BUCK型DC/DC电路做稳压直流电源，对两路输出电流采样，用单片机对两路采样值进行控制，以改变两路电流的比值，实现均流。此方案功耗较大，会降低电路效率，且较为复杂。
方案二：
用两路BUCK型DC/DC电路做稳压直流电源，用现成芯片直接实现对两路电路的均流，现成芯片具有高精度，高增益等特点，能检测到外界输入的微小的电压变化量，外围电路比较简单，可通过调节反馈电阻值从而实现对两路电流不同比例的控制，但是使用复杂。但此方案中需进一步考虑DC模块的效率问题，其中电容，电感，肖特基二级管是影响效率的3大因素。
方案三：
两路BUCK型DC/DC降压电路做稳压电源，通过高端检测两路输出电流值，分别送入两路仪用放大器进行放大，其中第一路仪用放大器的放大倍数固定，第二路放大器的放大倍数采用拨码开关手动控制和改变，再将仪用放大器的输出输入后一级进行比较，将比较结果反馈回第二路的DC/DC降压电路控制端，从而控制和改变第二路的输出电流，当反馈回路达到稳定后即实现了两路电路的均流，且可按不同比例调节。此方案电路简洁，没有大功耗模块，所以效率也很高。
方案确定：
综合考虑电路的效率高低，电路的复杂和实现的难易程度，操作需简洁等问题，最终确定使用方案三。其中DC/DC稳压电源使用芯片TPS5430，因为TPS5430具有输入电压范围宽（5.5V-36V），输出电流大（3A）和很高的转换效率（最高可达95%）等特点，能很好的满足本系统的设计要求，且具有高的工作频率（500KHz），用较小的电感和电容就可以滤除纹波，配合少许外部原件便可精确、稳定地得到输出电压。高端检测使用INA270，仪用放大器为INA333，比较放大器使用TLV2461。拨码开关每一位后串额定阻值的电阻，拨动开关以改变阻值。
系统总体框图如下：
图一：系统总体框图
三、系统基本原理分析及实现：
1、DC/DC变换器稳压原理：
BUCK拓扑结构基本原理简介：
BUCK拓扑的主要元器件为电感，开关电路对电感不断的进行充电和放电，当电感上电流的增加与减少相同，电感上的电流不会持续增加，达到开关的开通与关断时的伏秒数相同时，电路即达到稳定状态，此时Vo=Vi×D，其中D为开通时间的占空比，所以只要D改变则输出电压就改变。
所以直接选用专门的DC/DC降压芯片TPS5430完成电源电路，TPS5430内部具有精度很高的1.221V基准电源，具有反馈输入端VSENSE，将输出电压经分压后通过此引脚反馈回芯片内部，形成闭环控制回路，与基准电压1.221V进行比较并控制改变开关开通时间的占空比D，从而改变输出电压，进而改变VSENSE电压，再与基准电压比较。如此循环直到输出电压稳定到所需值8V。
BUCK电路关键参数电感的计算：

具体到本系统中，输出VOUT=8V，输入VIN=24V，输出电流最大值为IOUT=2A，TPS5430固定开关频率为FSW=500Khz，代入公式计算可得Lmin=0.027mH
反馈分压电阻值计算：

本系统VOUT=8V，
首先确定R1为10KΩ，根据公式可得R2=1.80KΩ，根据实际电路情况，选择R2=2KΩ.。

图二：DC/DC电源模块原理图
2、电流电压检测：
采用INA270对两路电流进行高端检测，在输出负载的高电压端串联一33mΩ的电阻，将电流转换为电压，将此电阻两端的压差输入到INA270输入端，输出被检测电路的电流值送入下一级。高端检测将检测电阻放入电压高端而不会给地线回路增加额外的阻抗，提高了整个电路的性能，而且被测电路的负载电阻始终一端和地相连接，也使输出电压更易测量，优于低端检测。
3、均流模块原理：
用两块INA333分别对两路检测输出电流进行放大。需注意的是在电流检测模块与放大模块之间需要加入一个加法器，以补偿电路失调电压，INA333负输入端不能直接接地。INA333放大器的放大倍数是可调的，通过改变1号和8号脚之间的电阻Rg便可以改变增益，计算公式G=1+(100kΩ/R)。固定其中的一路，令Rg=100kΩ，固定增益为2，而仅仅改变另一路电流的放大倍数，后级将两路放大器的输出输入到跨导放大器TLV2461，再将跨导放大器的输出反馈回DC/DC电源模块中控制和改变此路的输出电流。由于输出电压固定，当负载一定时两路电流之和Io固定，所以改变一路输出电流另一路也会跟着改变，当跨导放大器的两输入相等时两路电流大小便实现了按指定大小自动分配，电流将不再改变。

图三：电流检测及均流模块原理图
4、拨码开关增益控制模块：
INA333放大器的增益是由电阻Rg控制，所以增益控制模块用拨码开关串接电阻，电阻的另一端并在一起，实现不同档位的切换。根据要求两路电流比值需要能设定为0.5～2，理论设计为以0.01为步进，共150个档位，所以使用8位开关以二进制计数方式控制，可实现实现多达256个档位，满足要求。因为固定支路的增益为2，所以此变化支路的增益为电流比×2，已知增益求电阻，由前面增益计算公式变形得：
R=100kΩ/（2×电流比-1）
根据公式计算出每一档位所需要的电阻值，以下为其中一部分计算电阻值（kΩ）：

档位
0
1
2
4
8
16
32
64
128
256
电流比值
0.5
0.51
0.52
0.54
0.58
0.66
0.82
1.14
1.78
3.06
控制电阻值
无
5000
2500
1250
625
312.5
156.3
78.1
39
19.5
表一：增益控制电阻值计算
根据表格中数据的规律可知，电流比每增加0.01，则需在前一状态基础上并联0.5MΩ的电阻。因为为二进制，所以每位开关后只需接与其权值相对应的阻值即可，其他档位组合状态由并联产生。

图四：拨码开关增益控制原理图
5、过流保护和系统自动恢复原理：
过流保护同样采用INA270对电流进行高端检测，对检测值和所设定的安全电流参考值输入TLV2461进行比较，当检测到的电流值高于安全值时则输出高电平1，将此电平加到芯片使能端以关断整个供电系统。当与场效应管Q1相连接的电容C6 中储存的电能放完时，电路又会自动恢复。

图五：均流模块原理图
四、测试结果及分析：
1、DC/DC电源模块测试数据：
计算公式：效率（%）=Vo×Io/（Vi×Ii）×100
模块一：
输入
输出
效率
电压（V）
电流（A）
电压（V）
电流（A）
（%）
20.2
0.44
7.99
1.021
91.78
20.2
0.66
7.99
1.514
90.74
20.2
0.91
7.98
2.047
88.86
20.2
1.13
7.98
2.505
87.58
20.2
0.88
7.99
2.002
89.99

模块二：
输入
输出
效率
电压（V）
电流（A）
电压（V）
电流（A）
（%）
12
0.71
7.97
1.002
93.73
12.1
1.1
7.97
1.514
90.66
12.1
1.47
7.97
2.001
89.66
12.1
1.86
7.97
2.522
89.31
16.1
1.1
7.97
2.014
90.64
20.1
0.87
7.97
2.013
91.75
表二：DC/DC电源性能
数据分析：根据所得测试数据可知当系统的输入电压在一定范围内变化时，电源的输出可以很好的保持在8V0.1V，且电源系统效率接近90%，效率高。此DC/DC电源模块工作状态很好。两路的输出电流均能达到2A，所以输出功率可达到16W，虽然电流值可以超2A，但为电路安全，设定额定功率为16W。
2、自动均流模块测试数据：

两路采样电压值
档位
第一路（mV）
第二路（mV）
输出总电压（V）
比值
步进
NC
11.1
26.1
8.03
0.42529
0.00000
1
11.3
26.0
8.03
0.43462
0.00934
2
11.4
25.8
8.03
0.44186
0.00829
4
11.7
25.5
8.04
0.45882
0.00839
8
12.3
24.9
8.05
0.49398
0.00859
16
13.3
23.8
8.07
0.55882
0.00835
32
15.2
21.8
8.11
0.69725
0.00850
64
18.2
18.7
8.18
0.97326
0.00856
128
22.5
14.2
8.27
1.58451
0.00906
256
27.3
8.6
8.26
3.17442
0.01074

平均值

0.00887
表三：均流模块电流比例
数据分析：根据表中数据可知，第一路与第二路的电流比值可设定的范围为0.4～3.2，平均步进值为0.0087，与理论计算和设定的值0.01接近，可认为近似相等。两路电流差值可满足不大于2%。所以使用8位拨码开关所实现的增益控制电路可以实现从0.5～2范围内的不同比例的调节，且精度高。虽然随着比值越来越大，输出电压有较大的变动，但扔在80.4V范围内。
五、电路效率改进：
电容，电感，肖特基二极管是电路中影响效率的三大因素，可以通过将多个肖特基并联或者用MOS管代替肖特基等方法改进，一些电阻也可在允许的情况下可尽量使用大一点，减小电路电流，减小功率消耗，以提高效率。虽然自制PCB版图的性能已经很好，但还是有缺陷，有些线路可再补焊锡，这样会更进一步减小误差。前级小误差到后级可能会放大，所以尽量使用精度高的器材。

六、附录：

拨码开关增益控制

电流检测及均流控制模块

过流保护及自动恢复模块