直流电源的均流

2.1.2 输出滤波器
电感和电容是 DC-DC 输出滤波器的关键，他们共同担负着储能与滤波的作用。在设计输出 滤波器时，我们可以选择一阶 LC 滤波器或二阶甚至更高阶 LC 滤波器。但考虑到本题目对效率 及纹波的要求，我们决定选择低阶滤波，以降低滤波器的消耗。通过对电感和电容的计算与测 试，我们发现一阶 LC 滤波器即可满足本题目对纹波的要求。由于 TPS5430 开关管的工作频率 为 500KHz，频率较高，故对电容电感的选择已经较为苛刻。输出纹波电压一般是输出电感上 纹波电流流过输出电容的等效电阻形成的，为了降低纹波，我们需要尽量降低输出电感的匝间 电容和输出电容的等效电阻。而低 ESR 的电解电容都较为昂贵，故我们在电感上进行改进。通 过对电感最佳值的计算，并考虑到电感中的漏磁会对电路产生干扰，我们选择了 100μH 带磁 屏蔽的电感，经过实测，可以将满载时的纹波电压控制在峰峰值 30mV 左右。
（2）两路进行均流后，在不同负载下（输出电流 0～1A），不均流度 3%以内； （3）单路电流超过 1.2A，能迅速保护，并会自动尝试负载是否恢复正常。
二、作品实现
1.设计方案论证
1.1 DC-DC 转换方法及实现方案
【方案一】：采用 TI 公司的 PWM 产生芯片 TL494，配以 MOS 管驱动芯片 NCP5181，以及低导通 电阻的 PMOS 管 IRF9540 构成 DC-DC 模块。TL494 内部集成两个误差放大器，通过反馈能对 PWM 信号的占空比进行调节，从而精确地调整输出电压。NCP5181 具有高驱动能力，开关管能工作 在完全导通或完全截止的理想状态，从而使该 DC-DC 模块具有较高效率。 【方案二】：采用 TI 公司的集成芯片 TPS5430。该芯片内部集成 110 mΩ的 MOS 开关管，效率 高达 95%，输出电流最高 3A，能够满足题目的要求。该芯片固定为 500KHz 开关频率，可以采 用较小的滤波电容、电感消除纹波。而且此芯片只需要配合少许外部原件便可精确、稳定地得 到输出电压。
Keyword: DC-DC UCC29002 TPS5430 High efficiency Current sharing
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一、作品简介
本系统全部采用 TI 公司的优质芯片，以较为简单的方案实现了题目的全部功能和要求。 主要表现为：
（1）两路独立电源能在通常情况 4.5V-5.5V 内调整，输出 1A 以上电流，效率达到 85%， 纹波小于 50mV；
= 6.6µF
再者，为了得到更好的纹波效果，及更好的防止过冲的发生，该电容在实际应用时最终选择
了 100µF。
2.2 均流模块的实现
无UCC29002时的连接
有UCC29002时的连接 加入UCC29002后
的电路连接如图所 动选出电流最
大（即输出电压最大）的一路。此路UCC29002内部的三极管截止，即没有电流 流入其ADJ
VD = NMOS 管漏极电压
Vout = 输出电压 假设纹波电流峰峰值不超过满负载电流的 30%
即 ∆i = 1A × 30% = 0.3A
TPS5430 的工作周期为
1
1
T = f = 500KHz = 2μs
假设在满负载输出时 PWM 占空比位 65%，所以导通时间为
∆t = T × 65% = 1.3μs
由于采用分离元件搭建电路，外围元件多，电路较为复杂，且其反馈环路较集成芯片更易 受到干扰。所以我们采用更为可靠、稳定的 TPS5430 芯片作为 DC-DC 模块的主器件。
1.2 均流控制方法及实现方案
【方案一】：我们分别采用两片 TL494 来为两路电源提供 PWM，当两路并联时，利用其中一片 TL494 的一个内部误差放大器对电压进行调节，使其输出稳定在 5V。利用两片高精度差动放大 器 INA133 对两路电源的电流进行取样，将取样电压分别送入另一片 TL494 的一个内部误差放 大器的正负输入端，通过两片 TL494 的内部误差放大器进行电流电压复合负反馈，从而进行稳 压并实现均流。为了电路工作稳定，使误差放大器工作在闭环状态，此时通过调整误差放大器 的放大倍数即可调节均流精度，但由于误差放大器的放大倍数有限，只能近似实现均流。 【方案二】：最大电流均流法（自主均流法）。本方案采用负载共享控制器 UCC29002 实现。在 DC-DC 模块正常工作时，将两路 UCC29002 的均流母线连接，此时 UCC29002 将会自动选出电流 最大的一路，并将此路电源作为主电源。均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电 源的 UCC29002 接收到母线上的信号后，会控制该路 DC-DC 模块稍稍提高输出电压。通过减小 从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。并且该方案可通过十分简单的 电路完成任意路并联均流，且支持热插拔。 方案一可实现近似均流，不均流度可勉强满足题 目要求。而方案二采用的 UCC29002 的不均流 度最佳小于 1%，能更好的满足题目要求。且由 于采用自主均流法，即使其中一路电源出现故
在R4的选择上，我们试验了20—100Ω。当R4取20Ω时，只有当两路电流相差较小时，系统
才具有较好的调节能力。当R4取100Ω时，系统对电流有较强的调节能力，但对输出电压有较
大影响。为了兼顾均流能力及输出电压的稳定，我们做出了折中的选择，将R4选定为66Ω。
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3.系统框图和软件流程
题目：直流电源的均流 指导教师：钟洪声 崔红玲 杨 忠 孝 队员及年级：卢游 07
黄海 06 曹祖杨 07 学校及院系：电子科技大学 电子工程学院
摘要
本系统采用两片 TPS5430 芯片，构成两路 DC-DC 电路。通过两片负载共享控制芯片 UCC29002 对输出电流进行均流，两路输 出误差最佳可控制在 1%以内。另外，本系 统用 MSP430F449 作为数字控制芯片，利用片内 ADC 采集输出电流，并在输出电流超过 1.2A 时，通 过控制 TPS5430 的使能端，关闭系统的输出，从而实现过流保护。由于本系统的结构简单，所 用器件少，从而保证整个系统高效、稳定。
2.理论分析
2.1 DC-DC 转换模块的设计
TPS5430 内部集成了 PWM 产生电路、高位场效应管驱动电路以及低导通电阻的 NMOS 管， 所以 TPS5430 的外围电路只需一个自举电容、输出滤波器以及反馈电阻即可。
2.1.1 二极管的选取
要想做到高效率,续流二极管的压降要小并且恢复速度足够快。普通的二极管，正向压降 比较大。同时，由于开关管高速地在导通与截止状态之间转换，二极管反应速度不够快，二极 管会大量发热并且使 TPS5430 的输出波形也会受到影响，整个系统的效率很低。肖特基二极管 同时拥有低压降和快恢复的特性，是不错的选择。考虑到通过二极管的瞬态尖峰电流可能达到 2A，我们选择了肖特基二极管 SB540，它的反向耐压值为 40V，可承受的瞬态尖峰电流能达到 150A。
2.1.4 输出电容的计算
C = ∆i ×∆t ∆VOUT
式中， ∆i 为输出电流变化量，单位为 A ∆t 为导通时间，单位为 µs
∆Vout 为输出纹波电压峰峰值，单位为 V，此处假设允许输出纹波为 0.1V
因此， C = 0.3*1.3 = 3.9µF 0.1
但当电源的负载从最大突然变为零时，电感中储存的能量将会传送到电容中，但输出电
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障，整个系统仍能保证输出，从而提高了整个系统的稳定性。故我们决定采用方案二。
1.3 过流保护与自动恢复及实现方案
【方案一】：用硬件电路实现。当开关电源的输出电流超过规定值时，霍尔电流传感器感应电 压与预置的基准电压比较后，使继电器动作断开负载，起到保护作用。为了实现自动恢复功能 我们使用了单稳触发延时电路，每次触发后系统停留约 6 秒时间并继续检测故障是否已经被排 除。如果过流故障排除，系统自动恢复。否则，继续保持断开的状态。但是我们实际测得该电 路正常工作时，功耗达到了 600mW。详图请参见附图 1。 【方案二】：使用低功耗单片机 MSP430 实时监测电流。因为 UCC29002 的 8 脚电压与系统的输 出电流成正相关，我们用 MSP430 片内 12 位 ADC 定时采样该电压。并把它与预先设定的电压比 较来判断过流。当连续两次检测到电流过大时，关断 TPS5430 使系统不输出电压，6 秒延时后 使能 TPS5430,并继续检测电流。经过实测，TPS5430 关断后，不论负载电阻如何变化甚至输出 短路，系统输出电流均为零。由于采用了极低功耗的 MSP430 单片机，该方案的实际功耗仅 67mW。 方案二电路简单，稳定性高，功耗非常低，且过流值易于设定，故我们选择了方案二。
关键字： DC-DC UCC29002 TPS5430 高效率 均流
Abstract
The present system uses two TPS5430 chips, which constitute two DC-DC circuits. Through two UCC29002, the load sharing controller, the output error of current can up to 1%. In addition, the system used a digital control MSP430F449 chip and its on-chip AD collection. If output current is bigger than 1.2A, by controlling the TPS5430, we can make the output current of the system zero. Due to the simple structure of the system, we can use small devices to ensure the entire system efficient and stable.
容为 3.9µF 将会出现严重的过冲电压，这是不允许的，故从能量的角度，