以AT89C51單片機(jī)為核心的高頻開關(guān)電源并聯(lián)均流系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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模塊化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢,并聯(lián)運(yùn)行是電源產(chǎn)品大容量化的一個有效方案,可以通過設(shè)計(jì)N+l冗余電源系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展。本系統(tǒng)是多臺高頻開關(guān)電源(1000A/15V)智能模塊并聯(lián),電源單元和監(jiān)控單元均以AT89C51單片機(jī)為核心,電源單元的均流由監(jiān)控單元來協(xié)調(diào),監(jiān)控單元既可以與各電源單元通信,也可以與PC通信,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
1 PWM控制電路
TL494是一種性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制器,TL494由5V基準(zhǔn)電壓、振蕩器、誤差放大器、比較器、觸發(fā)器、輸出控制電路、輸出晶體管、空載時間電路構(gòu)成。其主要引腳的功能為:
腳1和腳2分別為誤差比較放大器的同相輸入端和反相輸入端;
腳15和腳16分別為控制比較放大器的反相輸入端和同相輸入端;
腳3為控制比較放大器和誤差比較放大器的公共輸出端,輸出時表現(xiàn)為或輸出控制特性,也就是說在兩個放大器中,輸出幅度大者起作用;當(dāng)腳3的電平變高時,TL494送出的驅(qū)動脈沖寬度變窄,當(dāng)腳3電平變低時,驅(qū)動脈沖寬度變寬;
腳4為死區(qū)電平控制端,從腳4加入死區(qū)控制電壓可對驅(qū)動脈沖的最大寬度進(jìn)行控制,使其不超過180°,這樣可以保護(hù)開關(guān)電源電路中的三極管。
振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波送到PWM比較器的反相輸入端,脈沖調(diào)寬電壓送到PWM比較器的同相輸入端,通過PWM比較器進(jìn)行比較,輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時,TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變,從而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton,達(dá)到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈沖調(diào)寬電壓可由腳3直接送入的電壓來控制,也可分別從兩個誤差放大器的輸入端送入,通過比較、放大,經(jīng)隔離二極管輸出到PWM比較器的正相輸入端。兩個放大器可獨(dú)立使用,如分別用于反饋穩(wěn)壓和過流保護(hù)等,此時腳3應(yīng)接RC網(wǎng)絡(luò),提高整個電路的穩(wěn)定性。
如圖1所示,PWM脈沖的占空比有內(nèi)部誤差放大器EA1來調(diào)制,而內(nèi)部誤差放大器EA2則用來打開和關(guān)斷TL494,用于保護(hù)控制。腳2和腳15相連,并與公共輸出端腳3相連通,因腳3電位固定,所以,TL494驅(qū)動脈沖寬度主要由腳1(PWM調(diào)整控制端)來控制;腳16是系統(tǒng)保護(hù)輸入端,系統(tǒng)的過流、過壓、欠壓、過溫等故障以及穩(wěn)壓或穩(wěn)流切換時關(guān)斷信號都是通過腳16來控制。鋸齒波發(fā)生器定時電容CT=0.01μF,定時電阻RT=3kΩ,其晶振頻率fosc==36.6kHz。內(nèi)部兩個輸出晶體管集電極(腳8和腳11)接+12V高電平,其發(fā)射極(腳9和腳10)分別驅(qū)動V1和V2,從而控制S1和S2,S3和S4管輪流導(dǎo)通和關(guān)閉。
圖1 PWM控制電路
2 軟件介紹
2.1 電源單元和監(jiān)控單元的軟件
高頻開關(guān)電源單元主要有數(shù)據(jù)采集,電壓電流輸出給定,鍵盤和LED顯示,故障處理以及與監(jiān)控單元RS485通信等子程序組成。監(jiān)控單元主要有鍵盤和液晶顯示,EEPROM以及與電源單元和PC機(jī)RS485通信等子程序組成。EEPROM用于存放工作參數(shù)和其他不能丟失的信息,它采用X5045芯片,X5045有512字節(jié),內(nèi)涵看門狗電路,電源VCC檢測和復(fù)位電路。
如果出現(xiàn)故障,電源單元立即做出相應(yīng)處理,并主動向監(jiān)控單元申請中斷,將故障數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控單元,監(jiān)控單元立即調(diào)用故障處理程序,如果故障嚴(yán)重將切除故障電源,并啟動備份電源,而且將故障情況傳送給PC機(jī)。
2.2 均流處理程序
高頻開關(guān)電源單元將各自的電壓和電流發(fā)送給監(jiān)控單元,監(jiān)控單元接收到各電源單元的電壓和電流信息后,馬上進(jìn)入均流判定處理程序。本程序?qū)⒏鶕?jù)均流精度的要求,計(jì)算出該由哪個電源單元進(jìn)行怎樣的調(diào)節(jié)以達(dá)到均流要求。該程序主要包括下面兩個模塊:第一個模塊主要完成電壓的檢查工作,發(fā)現(xiàn)電源單元電壓偏移超過要求,馬上進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié),保證其電壓為要求值;第二個模塊用于進(jìn)行均流計(jì)算,該模塊將找出電流偏移平均值超過規(guī)定要求的電源單元,并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。均流流程圖如圖2所示。
圖2 均流處理流程圖
由于在實(shí)際運(yùn)用中,各電源單元的電壓值并非完全一致,所以本系統(tǒng)對多電源單元并聯(lián)后的電壓有兩條要求。
1)多電源單元并聯(lián)時,若各電源單元之間的最大電壓偏差>0.5%,那么并聯(lián)后的輸出電壓要求在各電源單元的電壓之間;若各電源單元之間的電壓偏差均<0.5%,那么并聯(lián)后的輸出電壓應(yīng)為各電源單元電壓的中間值加0.25%誤差。本要求同時兼顧了盡量提高穩(wěn)壓精度和防止電壓調(diào)節(jié)過于頻繁的要求。
2)并聯(lián)后的輸出電壓與任一電源單元工作時的電壓之差≤1%(本電源要求穩(wěn)壓精度<1%)。
若找不到符合要求的電壓點(diǎn),則程序認(rèn)為相互并聯(lián)的電源的電壓偏差過大,將停止均流調(diào)節(jié),并按要求提出警告。
第二個模塊用于對各模塊的電流進(jìn)行均流計(jì)算,在本系統(tǒng)中,軟件的均流精度定在5%。程序找出大于或小于平均電流的模塊,如果超過了精度范圍,程序?qū)⒃O(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位,然后啟動通信程序,通知相應(yīng)電源模塊啟動調(diào)節(jié)程序。
3 結(jié)語
現(xiàn)場運(yùn)行表明,以上RS485通信程序和均流處理程序完全符合要求,PWM控制電路控制靈活,調(diào)試方便。由于電源單元出現(xiàn)故障時,電源單元將主動申請與監(jiān)控單元中斷,從而大大提高了實(shí)時性。電源單元既可以具有獨(dú)立功能,也可以由監(jiān)控單元統(tǒng)一管理,多臺電源單元并聯(lián)工作。