基于單片機(jī)的電流比任意可調(diào)并聯(lián)電源設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

為了滿足大負(fù)載功率的要求，電源系統(tǒng)往往需要用若干臺開關(guān)電源并聯(lián)[1]供電。而且在實(shí)際應(yīng)用中，常常存在兩個并聯(lián)電源功率不同、不能平均分?jǐn)傠娏鞯那闆r，這就要求功率高的電源模塊分擔(dān)更大的電流的情況。因此有必要采取一種有效的分流控制方案，以保證整個電源系統(tǒng)的輸出電流按各個單元模塊的輸出能力分擔(dān)，這樣既能充分發(fā)揮單元電源模塊的輸出能力，又能保證每個單元電源的工作可靠性[2]。基于靈活性需求，將單片機(jī)運(yùn)用于開關(guān)電源并聯(lián)分流控制就顯得十分必要。本文在并聯(lián)電源系統(tǒng)主從設(shè)置法均流技術(shù)[3-6]的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的半智能型并聯(lián)電源系統(tǒng)，其中的單片機(jī)模塊可以實(shí)時監(jiān)控各模塊的分流情況，并通過人機(jī)對話端口實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)電源系統(tǒng)分流比的任意可調(diào)，極大地拓寬了并聯(lián)分流開關(guān)電源系統(tǒng)的應(yīng)用場合。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。本設(shè)計采用主、從工作方式，分別對電壓大小和電流比例進(jìn)行控制，并進(jìn)行精確跟蹤。其中，主通道對電源輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制；從通道保證電流輸出比例與系統(tǒng)設(shè)定值一致；單片機(jī)模塊與顯示及輸入控制端口則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的半智能化，即分流比可調(diào)、各模塊電流可實(shí)時監(jiān)控。通過顯示及輸入控制端口輸入比例數(shù)據(jù)，由單片機(jī)產(chǎn)生電流比例調(diào)整信號控制從通道電流反饋控制電路，從而調(diào)整兩路PWM信號使兩個DC/DC模塊輸出相應(yīng)的電流值。主通道電壓反饋控制電路通過對輸出電壓采樣實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)壓，單片機(jī)模塊通過對系統(tǒng)總電流取樣實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)總電流的監(jiān)控，在總電流超出設(shè)定范圍時及時啟動過流保護(hù)電路。

1.1 主通道模塊設(shè)計

主通道模塊設(shè)計如圖2所示。主要由電壓取樣、比較放大、PWM調(diào)制、驅(qū)動及輸出電路、低通濾波等環(huán)節(jié)組成。主通道通過電阻分壓取樣，將負(fù)載樣品電壓與控制系統(tǒng)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行比較，得到PWM調(diào)制誤差信號，該信號與標(biāo)準(zhǔn)三角波信號進(jìn)行比較，形成具有一定占空比的PWM調(diào)制信號,該信號經(jīng)180°裂相后，構(gòu)成一對PWM信號送入驅(qū)動電路來驅(qū)動半橋輸出級電路。然后通過低通濾波后，輸出電壓幅度穩(wěn)定的直流電壓。

1.2 從通道模塊設(shè)計

　 從通道模塊設(shè)計如圖3所示。為了控制主從通道的電流輸出比例，通過霍爾電流傳感器對主、從通道輸出電流進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流樣本電壓UI1、UI2。UI3與從單片機(jī)系統(tǒng)送來的主/從通道電流比例調(diào)整電壓Uk相乘，對從通道電流進(jìn)行比例控制，并與主通道電流樣品電壓UI1進(jìn)行比較放大后，送PWM控制系統(tǒng)。

主、從通道的驅(qū)動及功率輸出部分電路結(jié)構(gòu)完全相同，主通道用來穩(wěn)定負(fù)載電壓，而主/從通道電流輸出比例由從通道控制，從而簡化了反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)環(huán)路控制穩(wěn)定，電壓和電流都具有很高的調(diào)整率，控制精度均很高。

1.3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)主要用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及重點(diǎn)參數(shù)信息，響應(yīng)用戶操控指令。其流程圖如圖4所示。
首先，單片機(jī)系統(tǒng)對系統(tǒng)的總電流進(jìn)行取樣分析，判斷是否滿足“主從電流之和低于4.5 A”，若不滿足,則再判斷其是否滿足“主從電流之和是否小于6 A”，滿足則將強(qiáng)行按照1:1的分流比輸出，避免單路輸出功率過大而損壞電源，否則過流保護(hù)，自動關(guān)斷驅(qū)動電路。若滿足“主從電流之和低于4.5 A”，則讀取人機(jī)交換平臺輸入的輸出電流比，系統(tǒng)對該電流比進(jìn)行分析，判斷其是否滿足“主從電流均在0.4 A~3 A之間”，若滿足，則系統(tǒng)將按照指定分流比輸出；不滿足，系統(tǒng)將強(qiáng)行按照1:1的分流比輸出。其次，基于單片機(jī)的這種分流比控制不但可以實(shí)時監(jiān)控保護(hù)電源系統(tǒng)，而且，其“4.5 A”和“0.4 A~3 A”的條件也可以根據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)定，具有很大的靈活性，這是傳統(tǒng)的并聯(lián)均流開關(guān)電源系統(tǒng)所不具備的。

1.4 過流保護(hù)電路設(shè)計

過流保護(hù)電路是由單片機(jī)進(jìn)行檢測控制。當(dāng)兩路電流之和大于設(shè)定的限流值（默認(rèn)值6 A，可獨(dú)立設(shè)置）時，控制程序自動關(guān)斷驅(qū)動電路，經(jīng)一定的時間延遲后，自動恢復(fù)電流檢測控制。另外，根據(jù)本設(shè)計性能指標(biāo)，用戶可任意設(shè)定主從電流比例，但當(dāng)比例設(shè)定不合適或負(fù)載發(fā)生變化時，存在單路電流超限現(xiàn)象（上限默認(rèn)值3 A、下限默認(rèn)值0.4 A，可獨(dú)立設(shè)置）。為保證超限的電流模塊正常工作，同時又保證并聯(lián)供電系統(tǒng)總功率輸出不變,單片機(jī)在系統(tǒng)總電流輸出門限(默認(rèn)值4.5 A~6 A,可獨(dú)立設(shè)置)范圍內(nèi)，將采用強(qiáng)制1:1輸出模式，主從電流比例重新滿足要求后，自動恢復(fù)。

2 實(shí)驗(yàn)測試
2.1 分流比設(shè)定及分流誤差測試
設(shè)定分流比分別為1.5:2.5和2.5:1.5，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，讀取各電流值，計算分流相對誤差，分流電流相對誤差為：δi=(Ii實(shí)測－Ii理論)/Ii理論。結(jié)果如表1所示。

調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，使I0穩(wěn)定在4.008 A，調(diào)節(jié)分流比，讀取各分流值，計算分流相對誤差。結(jié)果如表2所示。

2.2 測試結(jié)果分析
測試結(jié)果表明,在總電流I0>4.5 A且分流輸出I1、 I2在0.4 A~3 A之間時，其分流比可以任意設(shè)定，分流誤差在5 mA內(nèi)，分流相對誤差小于0.5%，具有較高的精度；當(dāng)總電流4.5 AI06 A或分流輸出I1、I2超出0.4 A~3 A的設(shè)定范圍時，分流輸出將按照1:1的分流比執(zhí)行；當(dāng)總電流I0>6 A的上限電流時，系統(tǒng)將關(guān)斷驅(qū)動，經(jīng)一定的時間延遲后再行檢測系統(tǒng)電流值，防止因電流過大而損壞電源，從而達(dá)到了系統(tǒng)的保護(hù)功能。
本文在并聯(lián)電源系統(tǒng)主從設(shè)置法均流技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于單片機(jī)的半智能型并聯(lián)電源系統(tǒng),其中的單片機(jī)模塊可以實(shí)時監(jiān)控各模塊的分流情況，并通過人機(jī)對話端口實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)電源系統(tǒng)分流比任意可調(diào)，極大地拓寬了并聯(lián)分流開關(guān)電源系統(tǒng)的應(yīng)用場合，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
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