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【摘要】设计了一种并联的数字开关电源，采用新型电流采样电路，减少了模拟器件，增加了系统的集成度。均流控制器采用PID算法，达到了电源模块并联均流的目的。经试验，本设计方案能够解决开关电源并联系统中电流不均问题，提高了并联供电系统的稳定性，具有一定的实际应用价值。
【关键词】数字化开关电源；单片机；均流；PID算法
将数个电源模块并联使用，是一种解决大电流输出难题的常用方案。但是，直接将开关电源并联，会因为每个模块输出特性的不同，导致输出电流不均衡，使得某一模块电流过大，损坏开关电源模块，甚至使整个并联供电系统崩溃。文献1详细分析了传统的模拟均流解决方案，这些方案中存在控制精度低、灵活性差等问题。其中，若均流母线出现故障还会导致整个并联供电系统均流失败的故障[1]。文献2中的方案，很好的解决了文献1中的问题，取得了较好的效果。文献2采用CAN（Controller Area Network）总线通信方式，可以很好的完成开关电源模块的通信，但这也就要求每一个开关电源模块具有CAN通信功能，在一定程度上增加了系统的复杂度和成本[2]。本文提出一种并联结构，采用数字化设计方案，包含开关电源模块、均流控制器、故障检测与记录模块，以ARM核的32位单片机为控制核心，实现了自动均流和故障记录的功能。
1.整体设计
本系统的结构图如图1所示。并联与采样电路模块与单个开关电源模块相连接，AD的引脚与采样点连接。将电压、电流的采样结果送到均流控制器，通过软件计算，生成PWM信号。该PWM信号经过驱动电路放大，驱动MOS管，完成控制任务。监测器用于记录各个模块输出电压、电流等关键数据，并判断每个模块是否工作正常，若出现异常情况，一方面，将异常模块的信息反馈到均流控制器，及时采取相应措施，避免系统工作异常。另一方面，将系统异常时的关键数据，按照一定的格式，写入SD卡中保存，便于调试人员恢复。
图1 系统结构框图
图2 RC电流采样电路
2.并联与采样电路设计
2.1 采样电路
要完成稳压均流输出，就必须实时准确采集到相应的电压、电流值。可以直接使用AD采集电压。常用的电流采样方法有：（1）霍尔电流传感器采样法；（2）电流检测放大器采样法[3]。前者精度高，但是成本也高，电路也较为复杂，后者需要串联检流电阻，检测结果与检流电阻的精度有关，当输出电流较高时，检流电阻的功耗较大，系统效率降低，更重要的是，功耗高时，电阻温度升高明显，阻值会变化，进一步影响检测精度。因而，这两种检流方案都不是最佳方案。文献3提出了一种新的检流方案，具体如图2所示[3][4]。
电流检测电路由简单RC网络构成，则在一个开关周期内有：
（1）
其中是电感在一个周期内电压的平均值，显然为0，是电感在一个周期内电流的平均值，等于负载电流，是电容在一个周期内充放电过程中电流平均值，显然为0，为电感的串联电阻（ESR），是输出电压。于是（1）式就可以简化为：
（2）
于是：
（3）
由此可知，通过一路AD就检测RC网络上的电容的电压就可以获得电流值，这种采样电路简单无损耗，明显优于前述两种方案。
2.2 开关电源并联连接电路
根据2.1中的分析，并联扩展电路部分需要为每一个开关电源模块留有2个端口，分别与图2中1、2连接。单片机PWM模块输出连接到图2中的3处。本系统采用飞思卡尔公司的k60单片机，具有2个ADC模块，最高支持16位24路AD输入，20路PWM输出[5]。即在不增加外部芯片的前提下，可以支持12个电源模块并联供电，假定每一个模块额定输出电流3A，则本系统最大输出电流可达36A，可以适用于绝大部分的应用场景。
3.均流器设计
3.1 冗余设计
为了保证在一个或多个电源模块出现故障时，并联供电系统仍能正常工作，在并联供电系统中就必须满足冗余设计。本文设计的并联供电系统中，并联电路的连接中每一模块均平等连接，在针对某一应用场景，每一个模块均可以做为恒流源输出或者恒压源输出。系统启动时，随机选择一个模块作为恒压源，以电压采样值作为反馈控制量，以保证并联供电系统能够输出指定电压。其余模块作为恒流源使用，以电流值作为反馈控制量，实现均流功能。当系统出现故障时，监测器会产生一个软件中断，进入中断服务程序，若判定是电压源模块出现故障，则随机选择一个被用作电流源的模块作为新的电压源模块，以保证恒压输出并重新执行均流分配程序；若判定是电流源模块出现故障，则将该模块从并联系统中除去，将系统中并联模块数目减1，重新执行均流分配程序。此外，监测器会将出现故障模块的关键信息写入SD卡中，以便于维护人员快速恢复。
3.2 均流策略
均流器是实现恒压均流的关键，是软件设计的核心。均流并不是简单的平均分配。需要考虑每一个开关电源模块的特性，额定功率不同的模块，要想同时工作在相同的状态下，就需要按照不同的比例将总电流分配到不同模块上[6]。于是均流器设计的一个条件是：
（4）
其中是第模块的输出电流，是第模块的额定功率，是个模块额定功率之和，是并联后总输出电流。（4）式计算得到的就是每一个模块均流的目标值。均流的控制算法采用数字式PID控制算法[7]。具体如下：
（5）
其中，k是采样序列号，Dk是第k次PWM波占空比，ek是第k次电流采样值与目标值的差值，ek-1是第k-1次电流采样值与目标值的差值，Kp，Ki，Kd分别是比例、积分、微分系数。参数Kp决定了每一模块的输出电流能否快速到达目标值，但参数Kp过大会导致输出电流值会在目标值左右震荡。微分环节是用于阻止偏差变化的，它是根据偏差变化趋势进行控制，偏差变化越快，微分控制作用越强，因此Kd参数可以消除这种震荡。积分环节只有在偏差为零时，结果才是一个常数，控制作用才不变，因而积分环节用于消除系统的偏差。但是Ki也不能过大，过大会使得系统的响应时间，增加系统超调量。在实际调试中，先将Kd、Kp设置为0，缓慢增加Kp，观察Kp过小和过大两种情况，初步确定Kp的取值范围，再用二分法逐次逼近。当Kp调整好以后，采用相同的方法调整Ki、Kd。同理，3.1节中提到稳压源的设计，也采用相同的控制算法，这里就不在赘述。结合上述分析，给出了程序流程图，具体如图3所示。 图3 软件控制流程图
Fig.3 Software control flow
4.实验验证
实验中制作了3个小功率开关电源模块，其中2个模块的参数为：输入24V，输出5V，额定功率为15W，另一个模块的参数为：输入24V，输出5V，额定功率为20W。将三个模块并联，负载为1欧姆，即总输出电流为5A。经多次实验，实验结果如表1所示。由实验数据可知，最大均流误差为2%。无论额定功率是否相同，该方案均切实可行，达到了设计要求。
5.结束语
通过实验，采用数字化开关电源并联均流可以很容易实现额定功率不同模块按照各自输出能力进行均流和冗余设计。采用这种RC网络检测电流的方案，简单实用，达到了并联均流的效果，均流误差小，电源稳定性好。另外，采用数字化开关电源设计可以留有更多的通信接口，如支持串口通信、RS232、CAN总线通信，便于和系统其他部分联机，使得开关电源更加智能，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]黄天辰，郭宇龙，董士英，王康.电源并联系统的均流技术研究[J].自动化技术与应用，2013，3：77-78.
[2]马骏，杜青，罗军，齐铂金.一种开关电源并联系统自动均流技术的研究[J].电源技术，2011，8：969-971.
[3]邓彦彦，陈绍聂，吕征宇.一种简易的并联开关电源均流方案[J].电力电子技术，2006，8：4-5.
[4]陈又新，高大庆，唐勇，王进军.基于新均流技术的多相同步整流电源研究[J].电力电子技术，2009，9：28-29.
[5]王宜怀.嵌入式系统原理与实践：ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：电子工业出版社，2010.
[6]邓磊，任稷林，王杰.数字控制技术在直流电源并联均流中的应用[J].空军雷达学院学报，2010，2：43-46.
[7]吴杰，朱向冰，郝文良.基于单片机控制的开关电源模块[J].电子设计工程，2013，5：155-157.
基金项目：安徽省及安师大大学生创新创业训练计划（编号：201310370128）；安徽师范大学本科生优秀毕业论文培育计划项目（编号：pyjh2013152）；安徽省科技攻关项目（编号：1301022058）。
作者简介：孙武（1992—），男，安徽安庆人，研究方向：电力电子技术、嵌入式系统。
【关键词】数字化开关电源；单片机；均流；PID算法
将数个电源模块并联使用，是一种解决大电流输出难题的常用方案。但是，直接将开关电源并联，会因为每个模块输出特性的不同，导致输出电流不均衡，使得某一模块电流过大，损坏开关电源模块，甚至使整个并联供电系统崩溃。文献1详细分析了传统的模拟均流解决方案，这些方案中存在控制精度低、灵活性差等问题。其中，若均流母线出现故障还会导致整个并联供电系统均流失败的故障[1]。文献2中的方案，很好的解决了文献1中的问题，取得了较好的效果。文献2采用CAN（Controller Area Network）总线通信方式，可以很好的完成开关电源模块的通信，但这也就要求每一个开关电源模块具有CAN通信功能，在一定程度上增加了系统的复杂度和成本[2]。本文提出一种并联结构，采用数字化设计方案，包含开关电源模块、均流控制器、故障检测与记录模块，以ARM核的32位单片机为控制核心，实现了自动均流和故障记录的功能。
1.整体设计
本系统的结构图如图1所示。并联与采样电路模块与单个开关电源模块相连接，AD的引脚与采样点连接。将电压、电流的采样结果送到均流控制器，通过软件计算，生成PWM信号。该PWM信号经过驱动电路放大，驱动MOS管，完成控制任务。监测器用于记录各个模块输出电压、电流等关键数据，并判断每个模块是否工作正常，若出现异常情况，一方面，将异常模块的信息反馈到均流控制器，及时采取相应措施，避免系统工作异常。另一方面，将系统异常时的关键数据，按照一定的格式，写入SD卡中保存，便于调试人员恢复。
图1 系统结构框图
图2 RC电流采样电路
2.并联与采样电路设计
2.1 采样电路
要完成稳压均流输出，就必须实时准确采集到相应的电压、电流值。可以直接使用AD采集电压。常用的电流采样方法有：（1）霍尔电流传感器采样法；（2）电流检测放大器采样法[3]。前者精度高，但是成本也高，电路也较为复杂，后者需要串联检流电阻，检测结果与检流电阻的精度有关，当输出电流较高时，检流电阻的功耗较大，系统效率降低，更重要的是，功耗高时，电阻温度升高明显，阻值会变化，进一步影响检测精度。因而，这两种检流方案都不是最佳方案。文献3提出了一种新的检流方案，具体如图2所示[3][4]。
电流检测电路由简单RC网络构成，则在一个开关周期内有：
（1）
其中是电感在一个周期内电压的平均值，显然为0，是电感在一个周期内电流的平均值，等于负载电流，是电容在一个周期内充放电过程中电流平均值，显然为0，为电感的串联电阻（ESR），是输出电压。于是（1）式就可以简化为：
（2）
于是：
（3）
由此可知，通过一路AD就检测RC网络上的电容的电压就可以获得电流值，这种采样电路简单无损耗，明显优于前述两种方案。
2.2 开关电源并联连接电路
根据2.1中的分析，并联扩展电路部分需要为每一个开关电源模块留有2个端口，分别与图2中1、2连接。单片机PWM模块输出连接到图2中的3处。本系统采用飞思卡尔公司的k60单片机，具有2个ADC模块，最高支持16位24路AD输入，20路PWM输出[5]。即在不增加外部芯片的前提下，可以支持12个电源模块并联供电，假定每一个模块额定输出电流3A，则本系统最大输出电流可达36A，可以适用于绝大部分的应用场景。
3.均流器设计
3.1 冗余设计
为了保证在一个或多个电源模块出现故障时，并联供电系统仍能正常工作，在并联供电系统中就必须满足冗余设计。本文设计的并联供电系统中，并联电路的连接中每一模块均平等连接，在针对某一应用场景，每一个模块均可以做为恒流源输出或者恒压源输出。系统启动时，随机选择一个模块作为恒压源，以电压采样值作为反馈控制量，以保证并联供电系统能够输出指定电压。其余模块作为恒流源使用，以电流值作为反馈控制量，实现均流功能。当系统出现故障时，监测器会产生一个软件中断，进入中断服务程序，若判定是电压源模块出现故障，则随机选择一个被用作电流源的模块作为新的电压源模块，以保证恒压输出并重新执行均流分配程序；若判定是电流源模块出现故障，则将该模块从并联系统中除去，将系统中并联模块数目减1，重新执行均流分配程序。此外，监测器会将出现故障模块的关键信息写入SD卡中，以便于维护人员快速恢复。
3.2 均流策略
均流器是实现恒压均流的关键，是软件设计的核心。均流并不是简单的平均分配。需要考虑每一个开关电源模块的特性，额定功率不同的模块，要想同时工作在相同的状态下，就需要按照不同的比例将总电流分配到不同模块上[6]。于是均流器设计的一个条件是：
（4）
其中是第模块的输出电流，是第模块的额定功率，是个模块额定功率之和，是并联后总输出电流。（4）式计算得到的就是每一个模块均流的目标值。均流的控制算法采用数字式PID控制算法[7]。具体如下：
（5）
其中，k是采样序列号，Dk是第k次PWM波占空比，ek是第k次电流采样值与目标值的差值，ek-1是第k-1次电流采样值与目标值的差值，Kp，Ki，Kd分别是比例、积分、微分系数。参数Kp决定了每一模块的输出电流能否快速到达目标值，但参数Kp过大会导致输出电流值会在目标值左右震荡。微分环节是用于阻止偏差变化的，它是根据偏差变化趋势进行控制，偏差变化越快，微分控制作用越强，因此Kd参数可以消除这种震荡。积分环节只有在偏差为零时，结果才是一个常数，控制作用才不变，因而积分环节用于消除系统的偏差。但是Ki也不能过大，过大会使得系统的响应时间，增加系统超调量。在实际调试中，先将Kd、Kp设置为0，缓慢增加Kp，观察Kp过小和过大两种情况，初步确定Kp的取值范围，再用二分法逐次逼近。当Kp调整好以后，采用相同的方法调整Ki、Kd。同理，3.1节中提到稳压源的设计，也采用相同的控制算法，这里就不在赘述。结合上述分析，给出了程序流程图，具体如图3所示。 图3 软件控制流程图
Fig.3 Software control flow
4.实验验证
实验中制作了3个小功率开关电源模块，其中2个模块的参数为：输入24V，输出5V，额定功率为15W，另一个模块的参数为：输入24V，输出5V，额定功率为20W。将三个模块并联，负载为1欧姆，即总输出电流为5A。经多次实验，实验结果如表1所示。由实验数据可知，最大均流误差为2%。无论额定功率是否相同，该方案均切实可行，达到了设计要求。
5.结束语
通过实验，采用数字化开关电源并联均流可以很容易实现额定功率不同模块按照各自输出能力进行均流和冗余设计。采用这种RC网络检测电流的方案，简单实用，达到了并联均流的效果，均流误差小，电源稳定性好。另外，采用数字化开关电源设计可以留有更多的通信接口，如支持串口通信、RS232、CAN总线通信，便于和系统其他部分联机，使得开关电源更加智能，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]黄天辰，郭宇龙，董士英，王康.电源并联系统的均流技术研究[J].自动化技术与应用，2013，3：77-78.
[2]马骏，杜青，罗军，齐铂金.一种开关电源并联系统自动均流技术的研究[J].电源技术，2011，8：969-971.
[3]邓彦彦，陈绍聂，吕征宇.一种简易的并联开关电源均流方案[J].电力电子技术，2006，8：4-5.
[4]陈又新，高大庆，唐勇，王进军.基于新均流技术的多相同步整流电源研究[J].电力电子技术，2009，9：28-29.
[5]王宜怀.嵌入式系统原理与实践：ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器[M].北京：电子工业出版社，2010.
[6]邓磊，任稷林，王杰.数字控制技术在直流电源并联均流中的应用[J].空军雷达学院学报，2010，2：43-46.
[7]吴杰，朱向冰，郝文良.基于单片机控制的开关电源模块[J].电子设计工程，2013，5：155-157.
基金项目：安徽省及安师大大学生创新创业训练计划（编号：201310370128）；安徽师范大学本科生优秀毕业论文培育计划项目（编号：pyjh2013152）；安徽省科技攻关项目（编号：1301022058）。
作者简介：孙武（1992—），男，安徽安庆人，研究方向：电力电子技术、嵌入式系统。