并聯(lián)型高頻開關(guān)直流電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著模塊化電源系統(tǒng)的發(fā)展，開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)的重要性日見重要。這里介紹了一種新型并聯(lián)型高頻開關(guān)電源整流模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其中，對(duì)開關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、控制電路及主要磁元件進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)。控制電路以UC3525為核心，構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓和限流。并且通過(guò)小信號(hào)模型分析，對(duì)電壓電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

敘詞：開關(guān)電源 PWM 并聯(lián) 均流 模塊

Abstract：With the development of modular power systems, switching power supply parallel the importance of technology has become increasingly important. But here is a new parallel-type high-frequency switching power supply rectifier module of the system design. One of the driving circuit switching power supply, buffer circuit, the main control circuit and magnetic components to optimize the design. Control circuit to UC3525 as the core, a current inner ring, the outer ring of the double loop voltage control mode, and system regulator and current limit. And through small-signal model analysis, the voltage and current Central PI regulator design.

Keyword：PWM switching power supply module Parallel Flow

0 概述

近幾年來(lái)，各式各樣的開關(guān)電源以其小巧的體積、較高的功率密度和高效率越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，特別是其保護(hù)裝置的微機(jī)化，通訊裝置的程控化，對(duì)電源的體積和效率的要求不斷提高。電源中磁性元件和散熱器件成了提高功率密度的巨大障礙。開關(guān)頻率的提高可以使開關(guān)變換器(特別是變壓器、電感等磁性元件以及電容)的體積、重量大為減小，從而提高變換器的功率密度。另外，提高開關(guān)頻率可以降低開關(guān)電源的音頻噪聲和改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是由于開關(guān)管的通斷控制與開關(guān)管上流過(guò)的電流和兩端所加的電壓無(wú)關(guān)，而早期的脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)電源工作在硬開關(guān)模式，在硬開關(guān)中功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電壓或電流不等于零的狀態(tài)下強(qiáng)迫進(jìn)行的，電路的開關(guān)損耗很大，開關(guān)頻率越高，損耗越大，不但增加了熱設(shè)計(jì)的難度而且大大降低了系統(tǒng)得可靠性，這使得PWM開關(guān)技術(shù)的高頻化受到了許多的限制。

根據(jù)高頻電力操作電源的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的開關(guān)器件，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)越的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路以及主要的磁性元器件。對(duì)最大電流自動(dòng)均流法的工作原理以及系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入的研究。采用均流控制芯片UC3907設(shè)計(jì)了電源的均流控制電路，使模塊單元具有可并聯(lián)功能，可以實(shí)現(xiàn)多電源模塊并聯(lián)組成更大功率的電源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)思想

在設(shè)計(jì)大型的開關(guān)電源模塊時(shí)，首先需要對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)整體的規(guī)劃，以便于設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的輔助電源。高頻開關(guān)直流電源系統(tǒng)的總體框圖。(如圖1)。

2 控制主電路設(shè)計(jì)

2.1電壓電流雙環(huán)控制

為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流均可控，通常采用電流模式控制，常用的電流模式控制有峰值電流控制法和。針對(duì)峰值電流控制的不穩(wěn)定性，容易發(fā)生次諧波振蕩，對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性差等幾個(gè)缺點(diǎn)。我們采用平均電流控制法PWM。

平均電流模式采用雙閉環(huán)控制，其內(nèi)環(huán)控制輸出濾波電感電流，外環(huán)控制輸出電壓，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。平均電流模式控制PWM的原理圖(如圖2)。

圖2 平均電流模式控制原理圖

將誤差電壓信號(hào)Ue接至電流誤差信號(hào)放大器的同相端，作為輸出電感電流反饋的控制信號(hào)Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號(hào)Ui接至電流誤差信號(hào)放大器的反相端，跟蹤電流控制信號(hào)Uip。Ui與Uip的差值經(jīng)過(guò)電流誤差放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號(hào)UC。再由UC與三角鋸齒波信號(hào)通過(guò)比較器比較得到PWM控制信號(hào)。UC的波形與電流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡(對(duì)應(yīng)于開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)期)與三角波的上斜坡比較產(chǎn)生控制信號(hào)。顯然，這就無(wú)形中增加了一定的斜坡補(bǔ)償。但為了穩(wěn)定工作，要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。

2.2小信號(hào)分析及電流、電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)

控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當(dāng)D1導(dǎo)通時(shí)，電路工作在恒流模式，此時(shí)，電壓環(huán)不起作用，電路相當(dāng)于單環(huán)控制。當(dāng)D1截止時(shí)，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級(jí)雙環(huán)控制，電流環(huán)作為電壓環(huán)的內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出Ue作為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的給定。其電路方框圖(如圖3)所示，在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，先設(shè)計(jì)電流環(huán)的調(diào)節(jié)器，獲得穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)，然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Tic(s)，并將其作為電壓環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，(如圖4)所示，然后設(shè)計(jì)電壓環(huán)的調(diào)節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點(diǎn)是很好地解決了電路的限流問(wèn)題，使電路具有最快的限流響應(yīng)速度。而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R3，減小D1管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。

H為輸出電壓采樣系數(shù)，

Ki為電感電流采樣系數(shù);

FM為脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)，F(xiàn)M=1/Upp，(Upp為三角波峰峰值);

圖3 雙環(huán)控制模式下的電路方框圖

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