一种高效率开关电源模块并联供电系统设计

张 煜，介小文，成高飞，冯 攀

(陕西煤矿安全装备检测中心有限公司，陕西 西安 710001)

0 引言

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备[1]。电源产业为了适应时代的发展必须不断提升技术，需要做到更加安全、可靠、节电、节材、缩体、减重、环保等。开关电源作为一种新型电源供应器又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。开关电源较之于传统的线性电源，产生废热少，更节能、转换效率高、尺寸小、重量轻，优势明显。开关电源的一项重要用途是为信息技术产业服务。信息技术产业的高速发展也有力地推动了开关电源技术的发展。目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制型。通过脉冲宽度调制(PWM)控制开关晶体管关断和开通的时间比率，维持稳定输出电压。

1 开关电源技术

开关电源的具体工作原理如图1所示，直流电压Ui经过受开关脉冲控制的开关S加至输出端[2]。通过改变开关S的通断时间，就可以获得矩形脉冲电压，再经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压Uo。

图1 开关电源的工作原理

开关电源直流输出电压Uo与输出电压Ui之间有如下关系：Uo=Ui·D(D为脉冲占空比)。若开关周期T一定，改变开关S的导通时间Ton，来实现占空比调节的方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，所以PWM式的开关电源应用较多。

2 设计方案的选择

开关电源并联供电[3]是现代电力电子技术发展的一种必然趋势，相比起来，单个电源模块供电效率更高，动态性能更好，负载调整率更高，输出功率可扩展的更大，并易于维护。为了提高开关变换器模块并联供电电源系统的可靠性，要求各模块能平均输出电流，用来保证各模块之间的电流应力和热应力均匀分配，这就要求系统各个模块具有输出自动均流功能。

2.1 开关电源控制模块的选择

开关电源控制芯片是对输出的电压采样，来调节PWM的输出，从而稳定输出电压[4-5]。通常情况下实际电路中应用的较多的芯片是UC3843和TL494等集成芯片。

方案一：使用UC3843电流反馈型开关芯片，启动电压为16 V，电流型单端输出式PWM，最大占空比为50%，具有过压保护和欠压锁定功能。缺点是在大电流工作时，将明显降低转换效率。

方案二：使用TL494电压反馈型开关芯片，具有双差分放大器反馈控制端口，PWM的死区时间可直接通过分压调节控制。TL494工作频率可达到300 kHz，工作电压最高可到40 V，内有5 V的电压基准，死区时间可调整，被广泛应用于各种开关电源。

基于开关电源对高效率的要求及两款芯片的优缺点的综合考虑，本设计选用TL494为开关电源的控制芯片。

2.2 DC-DC模块的选择

变换器的优缺点：本设计选用降压型DC-DC变换器，根据变换器输入与输出是否电气隔离(即是否存在开关变压器隔离)，分成BUCK和反激变换器两类。采用BUCK变换器，其结构简单，成本低，效率高，但安全性能较差；采用反激变换器，其可靠性高，但其成本高，效率差。

选择的原因：由于电压已经经过一次工频变压器变换，进行了与外围电网电压的隔离，所以不必要应用再次隔离变压。非隔离型驱动效率较高，其中BUCK电路可以实现降压输出，原理简单易懂，且电路连接简单方便，适合小型实验应用。所以本设计选用非隔离式DC-DC BUCK变换器作为本设计的主电路。

2.3 均流模块的选择

平均电流自动均流法：利用INA128的经典电路搭建均流电路。INA128是高精度、低功耗的通用仪表放大器，用INA128搭建的均流电路可以实现两路BUCK电路的并联。其外围电路比较简单，且成本低。即使出现均流母线发生短路现象，或是接在母线上的任何一个模块出现故障，母线电压会下降，并将促使各个模块的电压下调，甚至到达其下限但仍然可以精确地实现均流，并且解决出现的问题很方便。

最大电流自动均流法：最大电流自动均流法只有主模块参与调节工作，且主模块是随机的。由于二极管存在正向压降，导致主模块的均流会有误差。另外，因为主从模块不断交替，各模块输出电流存在低频振荡。

综上，考虑到最大电流自动均流法无法避免的误差问题以及开关电源电路对高效率的要求，加之方案一的外围电路比较简单，且成本低，故本设计选用方案一平均电流自动均流法来实现均流。

3 并联供电系统电路设计

本设计主要由开关电源控制模块、DC-DC模块和均流模块3部分组成，系统整体框图如图2所示。

图2 并联供电系统框图

3.1 开关电源控制模块的原理

本设计采用TL494构成BUCK开关变换器，通过偏差值获得控制电压，通过一个锯齿波与控制电压相比较产生控制开关通断状态的控制信号。锯齿波低于偏差信号的电平，比较器输出高电平来控制开关通断；反馈电压高于基准电压，误差放大器输出电压增大，晶体管的导通时间缩短，此时输出电压下降直到与基准电压基本相等，从而维持输出电压稳定。控制模块原理图如图3所示[6]。

图3 TL494构成的PWM控制电路

3.2 DC-DC模块的原理

BUCK电路是一种降压斩波器[7]，主电路如图4所示，Vin为输入电压，S为PWM控制的开关管，D为续流二极管、C为输出滤波电容。在开关管导通期间，二极管D截止，输入电源通过电感L向负载提供电能，同时流过电感的电流线性增加，将电能转换成磁能储存在电感中，当电感电流增加到大于负载电流后，电容进入充电状态[8-12]。在开关管关断期间，二极管导通续流，流过电感的电流线性减小，在减小到负载电流后，电容进入放电状态，向负载供电，以维持输出电压稳压。DC-DC BUCK降压电路原理图如图5所示。

图4 BUCK电路原理图

图5 DC-DC BUCK降压电路

3.3 均流模块的原理

自动均流控制电路：平均电流法自动均流控制电路原理如图6所示，图中Vr为基准电压；Vi为电流放大器的输出信号，与模块的输出电流成比例；Vb为均流母线上的电压。Vi与Vb经均流放大器比较放大后，产生均流控制电压Vc；参考电压Vr和Vc进行综合后形成电压误差放大器的基准电压Vr，Vr与Vf进行比较放大后，产生误差放大电压来控制PWM控制器。模块单元的开关管按照PWM信号开通和关断，从而调节输出电流，使得各模块的输出电流接近相等，达到均流的目的。

图6 平均电流法自动均流控制电路原理图

并联均流的控制电路：由于本设计是两路并联输出，所以重点讲述两个开关变换器模块并联(n=2)的情况，说明平均电流法均流控制的具体原理，其均流控制电路如图7所示。

Vi1及Vi2分别为模块1和模块2的电流信号，经过电阻R接到均流母线，当流入母线的电流为零时，可得

(Vi1-Vb)/R=0

(1)

(Vi2-Vb)/R=0

(2)

由式(1)和式(2)可得

(Vi1+Vi2)/2=Vb

(3)

即母线电压Vb是Vi1和Vi2的平均值，也代表了模块1、模块2输出平均电流值。Vi与Vb之差代表均流误差，当Vi≠Vb时，通过均流控制电路对变换器的输出电流进行调节，最终使得Vi=Vb，电阻R上的电压为零，表明系统实现了均流。均流单个模块电路原理如图8所示。

图7 两个模块的并联均流的控制电路

图8 均流单个模块电路

4 系统调试与误差分析

4.1 测试仪器及方法

所需测试仪器型号及精度见表1。保持输入电压为24 V±2 V，通过调节滑动变阻器保持BUCK变换电路的输出为8 V±0.4 V，通过万用表显示检测点的电流和电压，观察均流的效果。

4.2 测试数据

电流I1∶I2=1∶1时的测试数据：模块一测试电流数据见表2，模块二测试电流数据见表3，系统测试数据见表4。

表1 测试仪器

表2 模块一测试电流数据

表3 模块二测试电流数据

表4 系统测试数据

误差分析：两模块均流的相对误差Δi为

效率分析：当该系统中两路输出的总电流为50.2 mA时，测得输入电流为27.0 mA，由此可得系统的供电效率为

测试结果分析：从测试的数据可以看出，本设计能较好的实现均流，达到很好的稳压效果，电压的调节响应也快，效率也可以满足要求。①系统的输出电压Uo=8.0 V；②在保持输出电压为8 V±0.4 V时，两个模块的输出电流基本可以按照I1∶I2=1∶1模式自动分配电流;③系统的供电效率不低于60%。

5 结语

顺应时代对大功率电源的要求，需要提高开关电源的效率。开关电源模块并联是提高电源工作效率的一种方法，在系统的设计当中，平均电流自动控制均流法可以精确地实现均流。在设计过程中遇到了如电感的选取、均流电路的设计等一系列问题，经过不断改进，基本满足了设计目标，实现了两路开关电源并联输出，并且可以自动均流分配，效率也可以满足要求。