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解说基于AVR 单片机的开关电源均流技术
来源:开关电源  时间:2016-04-23 10:11 浏览:

摘要:本文首先分析了电源的并联特性及均流的一般原理,又详细分析了几种电源并联均流的技术,最后提出了基于AVR 单片机为控制核心,附带有RS485 通信协议、电压电流采集和显示以及调节电源的输出电压和实现各路电源的异常工作的声光报警的计算机均流技术方案,实现了数字均流的智能化控制。

    引言

计算机、通讯、空间站等的广泛应用,要求组建大容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。如果采用单台电源供电,该变换器势必处理巨大的功率,电压应力大,给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难,且一旦电源发生故障,则整个系统崩溃。采用多个电源模块并联运行来提供大功率输出是电源技术发展的一个方向,其系统中每个模块处理较小功率,解决了单台电源遇到的问题。然而一般情况下不允许模块输出之间直接进行并联,必须采用均流技术以确保每个模块分担相等的负载电流。若采用多个电源模块并联供电,不但可提供所需电流,而且可形成n+m冗余结构,提高系统的稳定性。随着采用数字控制的成本逐步降低及开关电源非线性控制理论和方法的不断完善,开关电源的数字化和数字均流技术越来越成为其发展趋势。本文先从电源的并联均流的一般原理出发,介绍几种传统的并联均流方案,并结合简单电路图,讨论其工作原理及优缺点,最后详细介绍一种新型实用的基于AVR单片机的数字均流方案。

 

1并联均流的一般原理

并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流的实质即通过均流控制电路,调整各模块的输出电压,从而调整输出电流,以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压型控制的闭环系统,均流的基本思想是采用各自输出电流信号,并把该信号引入控制环路中来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点,可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差或者反馈电流误差,形成多种均流方案,以满足不同的稳态性能和动态响应。

 

2传统的电源均流技术

2.1 主从方式均流法

实质是指定一定模块为主模块,工作在电压源方式下,它直接连接到均流母线;其余的为从模块,工作在电流源方式下,它们从母线上获取均流信号,由于存在统一的误差ΔU,模块的输出电流与误差电压成正比,所以不管负载电流如何变化,各模块的电流总是相等的,从而实现均流控制。这种方式均流精度很高,可达0.5%以内。

分析可知采用这种均流法有以下特点:

一旦主模块出现故障,整个系统将崩溃;

电压环工作频带宽,容易产生噪声干;

精度高,控制结构简单;

/从单元有均流母线联系,模块间连线复杂。

2.2 平均电流法(自动均流)

它是将并联工作的每个模块电流取平均值后,将平均电流值送给每个模块,各模块都以这个平均电流值为目标自动调节自己的输出电流。

 

 

1 均流控制原理图

 

1N 个并联模块中的一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图,并联的各模块的电流放大器输出端,通过一个电阻R 接到均流母线上,电压放大器输入为基准电压和均流控制电压的综合,它与Uf 进行放大后,产生电压误差Ue 控制PWM 及驱动器。Ui 为电流放大器的输出信号,和每个模块的负载电流成正比,Ub 为母线电压。假设N=2,也就是两个模块并联运行状态下,Ui1 Ui2 分别为模块1 2 的电压信号,都经过阻值为R 的电阻接到母线B ,母线电流I 值计算如下:I=Ui1-Ub/R+Ui2-Ub/R 当母线电流I=0 时,由上式得出:Ub=Ui1-Ui2/2。母线电压Ub Ui1 Ui2 的平均值,也代表了模块12 的输出电流平均值。代表均流误差的UiUb 之差,经过调节放大器,输出调整电压UcUc 值可正可负。当Ub=Ui 时,电阻R 上的电压为零,调整电压Uc=0, 实现了均流。一旦模块间的电流分配不均匀,UbUi,电阻R 承受电压,由这个电压控制A1,再由A1 控制功率级输出电流,以达到均流目的。

 

它的特点是:

.当均流母线短路或某个模块不工作时母线电压下降,将促使每个模块电压下调,甚至达到下限,造成故障;

.均流效果较好,易实现准确均流;

.可以构成冗余系统,均流模块数理论上可以不限,但应根据实际的调试确定模块数。

 

2.3 最大电流法

将图1均流框图中的电阻R 用一个二极管代替,二极管正端接a,负端接b,如图2所示。

 

 

 

2  最大电流法

 

由于二极管的单向导电性,这样只有当N 个单元中输出电流最大的一个电流放大器输出才能使二极管导通,与均流母线相连。该模块即为主模块,其余的为从模块,比较各自电流反馈与均流母线之间电压的差异,通过误差放大器输出来补偿基准电压,进而达到该单元均流调节作用。其特点是:在这种均流方式下,参与调节的单元由N 个单元中的最大输出电流单元决定,一次只有这个最大输出电流单元工作,这个最大电流单元是随机的,所以它有称作“民主均流法”;由于二极管存在正向压降,因此主模块均流总有误差,而从单元的均流效果总是最好的。

 

3并联强迫均流与计算机均流控制

3.1 并联强迫均流

所谓强迫均流,就是通过监控模块实现均流。实现方式主要有软件控制和硬件控制两种。由监控模块获得所有并联模块的平均电流值,再用这个平均电流值与模块电流值比较,比较的结果用来补偿电压基准。软件控制是通过软件计算,比较模块电流与系统平均电流,再调整模块电压,使其电流与平均电流相等。软件方式易于实现,均流精度高,但其瞬态响应较差,调节时间长。软件控制时实现恒流控制的算法较多。

 

3.2 本系统的计算机均流法

监控模块的控制核心ATmega48ATmel公司最新系列的高档小型的8位单片机,采用先进的RISC指令集工作的高性能、低功耗。内有32×8通用工作寄存器,4K字节的系统内可编程Flash,擦写寿命: 10,000 次,256字节的EEPROM,擦写寿命:100,000 次,512 字节的片内SRAM810 ADC(TQFP MLF 封装)610ADC( PDIP 封装),可编程的串行USART 接口,可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口,面向字节的两线串行接口,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器,两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器,一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/ 计数器,支持在系统编程(ISP)和C语言编译环境,工作温度范围:-40℃至85℃,而且价格比较低廉。

 

RS485是半双工的命令/响应式通讯,采用平衡发送和差分接收方式来实现通信:在发送端,驱动器将串行口的TTL电平信号转换成差分信号输出,经传输后,在接收端差分信号被还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线,又是差分传输,所以它具有很强和很高的抗共模干扰能力和接收灵敏度。同时,最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以10kb/s速率传输数据时,传输距离可达12;而当传输速率为100kb/s,传输距离可达1200m。如果降低波特率,传输距离可进一步提高。另外,RS485实现了多点互连,最多可达32台驱动器和32台接受器,非常便于多器件的连接,这种串行通信标准在小型多点通信系统中得到广泛的应用。

 

3.2.1 均流原理

如图三所示,与传统的模拟均流原理不同的是,本系统的数字均流是由ATmega48 采集3 个模块的电压和电流值,然后通过软件计算出平均电流,根据所要求的均流精度,通过两个硬件按钮的调节,由TLC561510 位的高精度DA)输出电压给定值并反馈到各路模块以达到各个模块的均流,此电压给定值可以通过按钮的调节步进递增和步进递减。此款AVR 单片机内置10 A/D,其工作在8MHz 下运算速度比MCS-51 提高了将近30 倍,可在线下载程序,性价比很高。此外可通过485 协议与上位机通讯,通讯帧的内容是各个模块的电压和电流值。此外,本系统实现了16路的报警功能,通过74LS165 采集16 个模块的电压信号,若有那路模块出现了故障,红色LED灯和蜂鸣器报警,而且数码管显示出实际出现故障的那路信号。为了止干扰使系统比较稳定,采用了两路电源,将数字部分和模拟部分完全隔开,达到了比较好的均流效果,具体见下面内容。

 

 

 

3.2.2 计算机均流控制的实现

本系统是通过软件计算比较模块电流与系统平均电流,然后再调整模块电压,使其电流与平均电流相等。

 

(1)监控模块的软件。

监控模块的软件主要由数据采集、电压输出给定、按键和数码显示、LED 故障报警及485 通讯等子程序组成。如果出现故障,监控单元将产生报警信号,并自动复位。

 

(2)均流处理程序。

监控模块采集到电压和电流信息后,马上进入均流判定处理程序:根据均流精度要求,计算出该由哪个电源单元进行怎样的调节以达到均流要求。该程序主要包括下面两个模块:模块一主要完成电压的检查工作,发现电源单元电压偏移超过要求,马上进行调节,保证其电压为要求值;模块二用于均流计算,该模块将找出电流偏移平均值超过规定要求的电源单元,并进行调节。均流流程图如图4所示。

 

 

 

4

 

3.2.3 均流试验结果

笔者将参数相同的三个220V/3A 电源模块并联,输出电压稳定在220V 时,在不同负载条件下,实现3 个模块的输出电流均流,具体数据结果如下表1所示:

 

 

1

 

从试验结果可以看出,采用该方法可以比较好地实现均流,均流精度较高,可见本均流方案是一种效果比较好,可靠性较高的均流技术。

 

3.2.4 计算机均流技术的特点

(1)软件方式易于实现复杂的控制,可移植性好,均流精度高。

(2)采用n+m冗余,电源系统可靠性高,因不存在均流母线,因此不存在由于影响均流母线而影响均流功能的问题。各模块独立工作,互不影响。

(3)在数字均流中,每个监控系统监控的模块数多,均流精度高且无振荡现象。

(4)数字均流依赖监控模块,如果监控模块失效,则无法均流。另外,其瞬态响应比较差,调节时间长。

 

3结束语

实践表明,数字均流技术达到了很好的均流精度,提高了电源系统的可靠性和容错能力,但数字均流对系统硬件要求很高,譬如要求系统的微处理器有很高的运算速度,系统软件有很好的抗干扰性,所以均流的效率不是很高,随着控制系统的逐步数字化和微处理器的发展,应用如高运算速度的单片机或DSP 来完成电源系统的均流和智能管理将是均流技术的发展方向。

 

 

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