基于单片机的电流比任意可调并联电源设计与实现

为了满足大负载功率的要求，电源系统往往需要用若干台开关电源并联[1]供电。而且在实际应用中，常常存在两个并联电源功率不同、不能平均分摊电流的情况，这就要求功率高的电源模块分担更大的电流的情况。因此有必要采取一种有效的分流控制方案，以保证整个电源系统的输出电流按各个单元模块的输出能力分担，这样既能充分发挥单元电源模块的输出能力，又能保证每个单元电源的工作可靠性[2]。基于灵活性需求，将单片机运用于开关电源并联分流控制就显得十分必要。本文在并联电源系统主从设置法均流技术[3-6]的基础上，设计了一种基于单片机的半智能型并联电源系统，其中的单片机模块可以实时监控各模块的分流情况，并通过人机对话端口实现对并联电源系统分流比的任意可调，极大地拓宽了并联分流开关电源系统的应用场合。

1 系统设计

系统总体设计方案如图1所示。本设计采用主、从工作方式，分别对电压大小和电流比例进行控制，并进行精确跟踪。其中，主通道对电源输出电压进行稳压控制；从通道保证电流输出比例与系统设定值一致；单片机模块与显示及输入控制端口则实现了系统的半智能化，即分流比可调、各模块电流可实时监控。通过显示及输入控制端口输入比例数据，由单片机产生电流比例调整信号控制从通道电流反馈控制电路，从而调整两路PWM信号使两个DC/DC模块输出相应的电流值。主通道电压反馈控制电路通过对输出电压采样实现整个系统的稳压，单片机模块通过对系统总电流取样实现对系统总电流的监控，在总电流超出设定范围时及时启动过流保护电路。

1.1 主通道模块设计

主通道模块设计如图2所示。主要由电压取样、比较放大、PWM调制、驱动及输出电路、低通滤波等环节组成。主通道通过电阻分压取样，将负载样品电压与控制系统产生的基准电压UR进行比较，得到PWM调制误差信号，该信号与标准三角波信号进行比较，形成具有一定占空比的PWM调制信号,该信号经180°裂相后，构成一对PWM信号送入驱动电路来驱动半桥输出级电路。然后通过低通滤波后，输出电压幅度稳定的直流电压。

1.2 从通道模块设计

　 从通道模块设计如图3所示。为了控制主从通道的电流输出比例，通过霍尔电流传感器对主、从通道输出电流进行采样，并转换成相应的电流样本电压UI1、UI2。UI3与从单片机系统送来的主/从通道电流比例调整电压Uk相乘，对从通道电流进行比例控制，并与主通道电流样品电压UI1进行比较放大后，送PWM控制系统。

主、从通道的驱动及功率输出部分电路结构完全相同，主通道用来稳定负载电压，而主/从通道电流输出比例由从通道控制，从而简化了反馈环路结构，使系统环路控制稳定，电压和电流都具有很高的调整率，控制精度均很高。

1.3 单片机系统设计

单片机系统主要用于显示系统工作状态及重点参数信息，响应用户操控指令。其流程图如图4所示。
首先，单片机系统对系统的总电流进行取样分析，判断是否满足“主从电流之和低于4.5 A”，若不满足,则再判断其是否满足“主从电流之和是否小于6 A”，满足则将强行按照1:1的分流比输出，避免单路输出功率过大而损坏电源，否则过流保护，自动关断驱动电路。若满足“主从电流之和低于4.5 A”，则读取人机交换平台输入的输出电流比，系统对该电流比进行分析，判断其是否满足“主从电流均在0.4 A~3 A之间”，若满足，则系统将按照指定分流比输出；不满足，系统将强行按照1:1的分流比输出。其次，基于单片机的这种分流比控制不但可以实时监控保护电源系统，而且，其“4.5 A”和“0.4 A~3 A”的条件也可以根据实际情况具体设定，具有很大的灵活性，这是传统的并联均流开关电源系统所不具备的。

1.4 过流保护电路设计

过流保护电路是由单片机进行检测控制。当两路电流之和大于设定的限流值（默认值6 A，可独立设置）时，控制程序自动关断驱动电路，经一定的时间延迟后，自动恢复电流检测控制。另外，根据本设计性能指标，用户可任意设定主从电流比例，但当比例设定不合适或负载发生变化时，存在单路电流超限现象（上限默认值3 A、下限默认值0.4 A，可独立设置）。为保证超限的电流模块正常工作，同时又保证并联供电系统总功率输出不变,单片机在系统总电流输出门限(默认值4.5 A~6 A,可独立设置)范围内，将采用强制1:1输出模式，主从电流比例重新满足要求后，自动恢复。

2 实验测试
2.1 分流比设定及分流误差测试
设定分流比分别为1.5:2.5和2.5:1.5，调节负载电阻，读取各电流值，计算分流相对误差，分流电流相对误差为：δi=(Ii实测－Ii理论)/Ii理论。结果如表1所示。