自动分配负载的智能开关电源设计

艾学忠，金炳涛，乔元静

(1．吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022;2．吉林绰丰柳机内燃机有限公司采购部，吉林吉林132021)

在现代通信和自动控制领域，经常会用到直流供电电源．随着系统设备的增加，要求供电功率也越来越大，单台电源很难满足供电要求，解决这一问题的办法有两个．一是规划系统功能模块，分别供电，优点是模块之间供电互不相关，出故障后可以单独处理．缺点是设备功率能力冗余大，投入成本高，耗能大，浪费资源，扩容需要更换设备．二是集中统一供电，电源之间协调工作，负载自动分配．优点是能耗低、节省资源，可以按照系统供电量的大小，在原有设计方案基础上扩容．随着供电智能化技术的发展，第二种方案应用越来越多．本文针对电源负载自动分配控制技术进行研究，设计了可用于通信和自控系统等场合的智能开关电源．

1 系统方案

开关电源模块设计方案如图1所示，使用C8051F410片上系统作为智能电源的控制核心，功率输出电路采用SG3524构成推挽式功率变换器，由HCPL7840线性光耦和OPA2335设计成隔离式电流检测电路，RS485接口电路实现电源模块之间的数据交换，LCD显示和按键电路用于人机接口及设置操作．C8051F410片上系统通过调节DAC0的输出来控制SG3524功率输出电路，输出电流测量电路将输出电流采样，并反馈至C8051F410片上系统的ADC0，使输出稳定在8 V，LCD显示电路与按键接口电路为人机交互界面，RS485接口电路作为电源模块之间数据传输通道．通过软件计算调控输出电压并自动分配每个电源模块上的负载．

图1 智能开关电源原理框图

2 理论分析与计算

2．1 双激式开关电源变压器初级线圈N1匝数的计算

双激式开关电源变压器初级线圈N1匝数的计算方法如式(1)所示［1-2］．式(1)中，N1为变压器初级线圈绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积(单位:cm2)，Bm为变压器铁心的最大磁通量(单位:Gs)，Ui为加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压(单位:V)，τ=Ton为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度．

2．2 推挽开关电源变压器初次级线圈的计算

推挽开关电源变压器初次级线圈的计算方法如式(2)所示．式(2)中，N1为变压器初级线圈N1或N2绕组的匝数，N3为变压器次级线圈的匝数，Uo为直流输出电压，Ui为直流输入电压，D为占空比．

3 电路的设计

3．1 C8051F410片上系统基本外围电路

C8051F410外围电路如图 2 所示［3-5］．包括C8051F410片上系统工作所需要的JATG接口、电源退耦、基准滤波、上电复位、按键接口和LCD接口等基本外围电路．C8051F410片上系统经DAC0模块输出电流信号，作为SG3524功率输出电路的控制信号使用．控制电路还要通过C8051F410片上系统的ADC0检测电流输出值．按键和LCD实现人机接口．

图2 C8051F410片上系统基本外围电路

3．2 SG3524 DC-DC功率输出电路

DC－DC功率输出电路如图 3所示［6］．SG3524是功率输出电路的核心，通过脉宽调制信号控制功率转换电路的开关功率管．管脚6和7对地分别接有2．2 K电阻和0．01 uF电容，由此确定振荡器频率大约为47 KHZ，当芯片为推挽输出时，输出脉冲的占空比为0% ～45%，脉冲频率为振荡器频率的二分之一．电阻R14、C8决定电源的工作频率，如式(3)所示．

R9和R10电阻提供取样电压经管脚2引入误差放大器的同相端，反相端连接单片机的控制电压．4脚和5脚引入过流保护采样电阻，其阻值决定输出电源极限电流值．管脚9对地接有电容(C22)和电阻(R20)，以实现频率补偿．管脚11和14分别经开关二极管D3和D2与外接功率开关管 Q3、Q4栅极相连．电阻 R19、R13和 Q3、Q4 构成场效应管IRF540的栅极快速关断控制电路，以提高对功率开关管的驱动速度．

开关变压器副边接至肖特基整流管MBR2045，MBR2045为双肖特基二极管，反向耐压值为45 V，正向通过最大电流可达20A，用来构成全波整流电路．另外一组副边作为辅助电源，经LM7805稳压后为隔离式电流检测电路前端供电．

在开关电源电路中，工作效率主要取决于功率开关和整流器件．设计中为了提高工作效率，功率开关采用IRF540，典型导通电阻只有70 mΩ，而且采取驱动加速电路来控制功率管的导通和截止，以保证开关速度，降低开关消耗．另外，为了减少整流器件的功率消耗，整流管使用的是MBR2045肖特基二极管，在4A输出时，压降只有0．3 V，能够有效提高电源效率．

图3 SG3524DC-DC功率输出电路

3．3 输出电流检测电路

输出电流检测电路如图4所示，由于设计的电源输入与输出隔离，因此在输出电流检测电路中选用带有8倍放大功能的线性光耦芯片HCPL7840．HCPL7840的2脚与3脚分别接到输出电流采样电阻的两端，差动输出VOUT+(7脚)与VOUT－(6脚)脚分别接至3倍放大的差动放大电路的输入端，放大后的电压送至C8051F410片上系统的ADC0．电流采样电阻为R16(图4中的RS)，当输出电流为I时，则输出电流检测电路输出电压ADC0计算过程如式(4)、(5)、(6)所示:

图4 输出电流检测电路

4 实验测试与分析

4．1 测试方法

实验制作的两个开关电源模块输出均为8 V、额定功率16 W，按照图5连接测试电路，得到表1测试数据．

图5 两个电源模块构成并联供电系统测试图

表1 两个模块按I1 I2=1 1模式自动分配电流

4．2 数据分析

(1)输出电流分配误差

输出电流分配误差产生原因有两个:①采样电阻在大电流输出时会导致发热，造成采样电阻温漂，引起电流采样电路测量误差;②控制过程的超调量没有完全消除，控制余差会造成输出电流分配误差．

(2)输出电压误差

①电压反馈控制电路的温漂会造成输出电压测量电路产生误差，导致控制输出误差;②在大电流输出时，导线压降也会引起输出到负载上的电压下降．

从表1可看出，负载从空载到4．0A输出时，电源输出电压Uo在8．01～8．08 V之间变化，并能按照设置的比例进行电流分配．在输出功率32 W时，电源效率能够达到70．2%．具有负载短路保护及自动恢复功能，保护阈值电流为4．5A．

5 结 论

［1］ 普莱斯曼．开关电源设计［M］．2版．北京:电子工业出版社．2005．

［2］ MANIKTALA S．精通开关电源设计［M］．北京:人民邮电出版社，2008．

［3］ 艾学忠，纪慧超，张玉良．基于C8051 F410片上系统的逆变电源设计［J］．化工自动化及仪表．2010，37(8):63-65．

［4］ 潘琢金(译)．C8051F410/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册［K/OL］．新华龙电子有限公司．2006．

［5］ 艾学忠，金炳涛．具有安全监管的锂电池矿灯智能充电技术的研究［J］．化工自动化及仪表，2010，37(2):100-101．

［6］ 翟玉文，艾学忠．电子设计与实践［M］．北京:中国电力出版社，2005．