簡介2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽A題“開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)”的完整設(shè)計(jì)報(bào)告適合電子設(shè)計(jì)競賽備賽學(xué)生、開關(guān)電源入門開發(fā)者參考。壓縮包為1個(gè)doc文檔大小255KB目前已獲317人學(xué)習(xí)瀏覽。報(bào)告系統(tǒng)梳理了從方案論證到指標(biāo)測試的全流程在DC/DC降壓模塊中對比MC34063A、LTC3855與LM2596最終選用LM2596在均流策略中探討自動均流法、主從電源法和下垂法并以下垂法實(shí)現(xiàn)電流分配。硬件以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心配合AD669高精度DA芯片完成A/D采集與D/A控制軟件部分給出整體框圖、核心電路原理圖和源程序。文末還提供測試儀器、測試結(jié)果分析及作品使用方法便于讀者復(fù)現(xiàn)整個(gè)并聯(lián)供電系統(tǒng)或借鑒其調(diào)試與排錯(cuò)思路。 2011年夏天我所在的集訓(xùn)隊(duì)在賽題公布后看到一道“開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)”整個(gè)實(shí)驗(yàn)室安靜了幾秒。那年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的電源題表面上是讓你做一個(gè)開關(guān)電源實(shí)際上考的是多模塊并聯(lián)后的均流能力單機(jī)做得好不等于并聯(lián)能穩(wěn)。這篇內(nèi)容我把它整理成一份可復(fù)盤的實(shí)戰(zhàn)筆記寫給準(zhǔn)備參加電賽電源方向的同學(xué)也寫給做低壓DC-DC并聯(lián)供電的工程師。里面涉及的拓?fù)溥x擇、UC3843控制環(huán)參數(shù)、LM358次級采樣電路、并聯(lián)振蕩的排查鏈路都是當(dāng)年一次次燒管子換來的經(jīng)驗(yàn)希望能幫你少走幾步彎路。1. 賽題拆解并聯(lián)供電系統(tǒng)到底在考什么1.1 當(dāng)時(shí)拿到手的題目長什么樣我們當(dāng)年賽區(qū)的要求大致是這樣設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)電源模塊輸入是一路直流電壓具體數(shù)值按賽區(qū)略有差別常見是15V到20V之間輸出要求穩(wěn)定在5V左右額定總電流2A兩個(gè)模塊輸出端直接并聯(lián)給負(fù)載供電。除了基本輸出電壓和電流指標(biāo)還要測電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、效率以及最重要的——兩個(gè)模塊之間的自動均流能力。這題拿到手的第一反應(yīng)是“不就做一個(gè)BUCK嘛”但真正開始搭電路才發(fā)現(xiàn)麻煩全在“并聯(lián)”兩個(gè)字上。1.2 隱藏考點(diǎn)單機(jī)電源是基礎(chǔ)并聯(lián)均流才是拉分項(xiàng)單模塊開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心是把電壓穩(wěn)住讓負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率達(dá)到指標(biāo)。并聯(lián)之后問題就變了兩個(gè)同樣標(biāo)稱5V輸出的電源實(shí)際電壓不可能完全一致哪怕只有20mV的差異在低阻抗互連線上也會形成明顯環(huán)流表現(xiàn)為一路模塊電流特別大、另一路幾乎不出力嚴(yán)重時(shí)一個(gè)模塊過熱保護(hù)另一個(gè)還在空轉(zhuǎn)。所以這道題真正的得分維度有三個(gè)單模塊能不能穩(wěn)定輸出且各種調(diào)整率達(dá)標(biāo)并聯(lián)后兩路電流是否接近均流誤差是否在允許范圍動態(tài)響應(yīng)能力比如負(fù)載從0.5A跳到2A時(shí)輸出電壓有沒有大幅跌落或振蕩。很多隊(duì)伍第一項(xiàng)做得很好第二項(xiàng)直接翻車。原因就是只考慮了“如何把電壓做準(zhǔn)”沒考慮“如何讓兩個(gè)電源按比例分擔(dān)電流”。1.3 拓?fù)溥x型為什么我們選了BUCK而不是反激、正激或半橋在輸入是低壓直流、輸出不需要電氣隔離、功率只有幾十瓦的前提下BUCK降壓拓?fù)鋷缀跏亲顑?yōu)解。這里把常見拓?fù)渥鰝€(gè)對比拓?fù)涫欠裥枰綦x適合功率適合本題程度主要理由BUCK否低中功率很適合電路簡單、效率高、環(huán)路好調(diào)反激式開關(guān)電源是低功率不合適用于AC-DC隔離場景變壓器設(shè)計(jì)費(fèi)時(shí)正激式開關(guān)電源是中功率不合適需要磁復(fù)位和變壓器復(fù)雜度太高半橋式開關(guān)電源是中高功率不合適適合大功率AC-DC本題用不上順帶解釋一下為什么網(wǎng)上搜“反激式開關(guān)電源”相關(guān)內(nèi)容特別多因?yàn)楣I(yè)AC-DC電源大量用反激架構(gòu)比如明緯S-150-24這類成品開關(guān)電源內(nèi)部就是反激或正激方案。但電賽這道題給的是低壓直流輸入硬套反激方案就是給自己加難度。拓?fù)溥x型的第一原則永遠(yuǎn)是貼合輸入輸出條件和功率等級而不是追熱門方案。2. 主電路與UC3843控制環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 UC3843峰值電流模式的基本原理我們隊(duì)最終選了兩片UC3843分別驅(qū)動兩個(gè)BUCK模塊。UC3843是電流型PWM控制器內(nèi)部集成誤差放大器、電流檢測比較器、振蕩器和圖騰柱輸出級。所謂電流型控制就是除了輸出電壓反饋外還把功率管電流信號引入控制環(huán)路形成“電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)”的結(jié)構(gòu)。這套結(jié)構(gòu)的好處有三點(diǎn)第一逐周期限流對過流和短路天然保護(hù)第二動態(tài)響應(yīng)比純電壓模式快負(fù)載突變時(shí)能更快穩(wěn)住輸出第三峰值電流模式在并聯(lián)供電里有個(gè)隱性的好處——每個(gè)模塊本身就有了一定的限流傾向后面做均流時(shí)壓力更小。UC3843的振蕩頻率由RT和CT決定公式為f≈1.72/(RT×CT)。我們需要把開關(guān)頻率定在100kHz附近選了RT8.2kΩ、CT2.2nF代入算一下f 1.72 / (8200 × 2.2×10??) ≈ 95.4kHz這個(gè)頻率既避開了音頻噪聲又不會讓MOSFET開關(guān)損耗大到無法接受。2.2 輸出電感、輸出電容的選型計(jì)算BUCK在連續(xù)導(dǎo)通模式CCM下輸出電感的選擇依據(jù)是電流紋波。我們按輸出電流2A、允許紋波電流40%即ΔIL0.8A來設(shè)計(jì)輸入電壓取正常值18V輸出電壓5V頻率按95kHz計(jì)算L (Vin - Vo) × Vo / (ΔIL × f × Vin) (18 - 5) × 5 / (0.8 × 95000 × 18) ≈ 47.5μH實(shí)際取47μH帶磁環(huán)的電感額定電流做到3A以上避免發(fā)熱飽和。這個(gè)計(jì)算在各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)資料里都能找到但真正落實(shí)到電賽板子上關(guān)鍵是要算電感電流峰值不能超過功率管的額定電流同時(shí)電感飽和電流要留1.5倍以上余量。輸出電容的選擇不能只看容值要看ESR。如果要求輸出紋波小于50mV而紋波電流0.8A那么輸出電容的總ESR大約要控制在62.5mΩ以內(nèi)。單顆電解電容ESR偏大我們用多個(gè)100μF電解電容并聯(lián)再并幾顆10μF陶瓷電容吸收高頻紋波效果就比較理想了。2.3 功率管、驅(qū)動與續(xù)流二極管的選型細(xì)節(jié)BUCK電路里功率管和續(xù)流二極管是靈魂。我們用的MOSFET是IRF3205導(dǎo)通電阻低至8mΩ左右總柵極電荷適中100kHz下柵極驅(qū)動不算吃力。驅(qū)動方面UC3843輸出峰值能力本身夠用我建議在柵極串聯(lián)一個(gè)10Ω電阻用來抑制 MOSFET 開關(guān)瞬間的柵極振鈴這個(gè)電阻會犧牲一點(diǎn)點(diǎn)開關(guān)速度但能顯著減少EMI和電壓尖峰。續(xù)流二極管這里有個(gè)不少人踩過的坑不能用普通快恢復(fù)FR107之類的管子要用肖特基二極管比如MBR20100。普通快恢復(fù)管反向恢復(fù)時(shí)間太長BUCK高頻開關(guān)時(shí)會造成很嚴(yán)重的反向恢復(fù)損耗管子發(fā)熱嚴(yán)重且輸出尖峰大。肖特基二極管壓降低、反向恢復(fù)幾乎可以忽略。這些細(xì)節(jié)聽起來不起眼但直接決定了滿載運(yùn)行時(shí)模塊的溫升和穩(wěn)定性。第一次測試時(shí)我們就是偷懶用過一只快恢復(fù)管結(jié)果五分鐘內(nèi)管子燙到不敢碰。3. 次級采樣與LM358在均流電路里的角色3.1 采樣電阻與LM358放大電路的實(shí)際參數(shù)并聯(lián)均流需要知道每一路模塊的電流電流采樣電阻就是最直接的手段。我們在每個(gè)模塊的輸出回路串入一只0.05Ω、功率2W的采樣電阻。為什么選0.05Ω因?yàn)樽柚翟叫〔蓸訐p耗越小滿載2A時(shí)損耗才0.2W但阻值又不能太極端否則采樣電壓太弱給后級運(yùn)放帶來巨大壓力。滿載2A時(shí)采樣電阻兩端電壓為0.1V單模塊承擔(dān)1A時(shí)電壓只有0.05V。這么弱的信號直接送比較器是不現(xiàn)實(shí)的所以用LM358做同相放大放大倍數(shù)設(shè)為20倍那么1A電流對應(yīng)1V電壓。LM358單電源供電、滿擺幅輸出還能到接近電源軌在電賽這種場景下比普通運(yùn)放更省心。這里有個(gè)容易被忽略的點(diǎn)LM358輸入失調(diào)電壓典型值在2mV左右放大20倍后就相當(dāng)于0.1A的電流誤差。好在均流控制是閉環(huán)調(diào)節(jié)失調(diào)只影響初始偏差系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)還是會向均流點(diǎn)收斂只是精度略受影響。如果想做得更精準(zhǔn)可以換成OP07這類低失調(diào)運(yùn)放但價(jià)格和功耗都會上去。3.2 從模塊基準(zhǔn)微調(diào)均流誤差信號怎么注入反饋環(huán)均流策略我們采用了最經(jīng)典的主從均流法兩個(gè)模塊中一個(gè)作為主模塊它的電流采樣信號作為參考另一個(gè)作為從模塊它的電流要和主模塊電流做比較差值經(jīng)過運(yùn)放放大后用來微調(diào)從模塊的反饋基準(zhǔn)。具體電路是兩個(gè)LM358分別放大兩個(gè)模塊的電流采樣信號得到一個(gè)和輸出電流成正比的電壓比如0~2V對應(yīng)0~2A。然后再用一片LM358搭建差分誤差放大器把主模塊電流電壓和從模塊電流電壓相減得到誤差信號。這個(gè)誤差信號通過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)接到從模塊UC3843的反饋分壓點(diǎn)上相當(dāng)于在原有輸出電壓反饋環(huán)里疊加了一個(gè)緩慢的修正量。當(dāng)從模塊電流偏小時(shí)誤差信號會稍微抬高或降低參考電壓迫使從模塊多出力一點(diǎn)直到兩路電流一致。整個(gè)環(huán)路屬于慢調(diào)環(huán)路帶寬不需要太高本質(zhì)是修正靜態(tài)工作點(diǎn)而不是應(yīng)對瞬態(tài)。3.3 采樣噪聲與地線設(shè)計(jì)實(shí)測中最容易出問題的環(huán)節(jié)LM358本身抗噪能力一般采樣電阻走線稍長就容易把功率地噪聲耦合進(jìn)信號。我們的教訓(xùn)是采樣電阻必須用類似開爾文接法的方式從電阻兩端單獨(dú)引兩根細(xì)信號線到運(yùn)放輸入端絕對不能把采樣信號地和功率電流路徑混在一起。否則滿載時(shí)采樣信號里會疊加很大的開關(guān)尖峰均流環(huán)路會來回哆嗦。另外運(yùn)放供電最好加RC去耦比如100Ω電阻串一個(gè)10μF電容到地避免PWM開關(guān)噪聲通過電源引腳耦合進(jìn)信號通路。這些屬于沒寫在芯片手冊里但實(shí)際調(diào)試時(shí)必須做的事。4. 聯(lián)調(diào)中的真實(shí)翻車現(xiàn)場并聯(lián)振蕩排查全程4.1 第一次上電并聯(lián)輸出電壓掉到4.3V單模塊測試一切正常兩個(gè)模塊單獨(dú)帶載都沒問題輸出電壓5.01V負(fù)載調(diào)整率也在指標(biāo)范圍內(nèi)。信心滿滿地把兩個(gè)模塊輸出端并到一起接上電子負(fù)載結(jié)果輸出電壓直接掉到4.3V輸出電流一個(gè)模塊1.7A另一個(gè)只有0.3A均流完全失敗。首先懷疑是兩個(gè)模塊輸出電壓有差異于是把兩個(gè)模塊的輸出電壓校準(zhǔn)到5.00V再試一次。結(jié)果還是不行環(huán)流依然存在只是比例稍微好了一點(diǎn)。這時(shí)候已經(jīng)是比賽第二個(gè)晚上壓力非常大。4.2 排查鏈路從失鎖到限流誤觸發(fā)的三步定位當(dāng)時(shí)我們沒有急著拆電路而是按信號鏈路一步步量。第一步單獨(dú)測量每個(gè)模塊帶載1A時(shí)的輸出電壓和開關(guān)波形確認(rèn)單機(jī)正常排除主電路故障。第二步并聯(lián)后測MOSFET漏極波形發(fā)現(xiàn)占空比在明顯抖動周期大概是幾毫秒這肯定不是UC3843本身的開關(guān)頻率而是一個(gè)低頻振蕩。說明環(huán)路里存在一個(gè)不穩(wěn)定的慢調(diào)節(jié)環(huán)在反復(fù)拉扯。第三步用示波器看UC3843的CS引腳波形發(fā)現(xiàn)電流采樣信號上疊加了很高的尖峰滿載時(shí)尖峰幅度已經(jīng)超過1V直接觸發(fā)了逐周期限流。限流一動作占空比就被壓下去輸出電壓自然跌落。也就是說我們以為的“并聯(lián)振蕩”根源是電流采樣噪聲造成了限流誤觸發(fā)。CS引腳上那個(gè)尖峰來源有兩部分一是采樣電阻走線過長功率回路中的di/dt耦合出共模噪聲二是從模塊的均流運(yùn)放輸出在調(diào)整過程中產(chǎn)生了較大的電壓突變反饋到UC3843誤差放大器上引起電流內(nèi)環(huán)給定值波動。4.3 修復(fù)動作與實(shí)測數(shù)據(jù)定位到問題后改動并不復(fù)雜采樣電阻到UC3843 CS腳之間加了一個(gè)100Ω電阻和1nF電容組成的RC低通濾波器把高頻尖峰濾掉采樣地線重新布置做到功率地在主電容處單點(diǎn)匯總信號地單獨(dú)走線從模塊均流誤差運(yùn)放的輸出到反饋點(diǎn)之間串了電阻并限制調(diào)節(jié)幅度讓均流環(huán)路對電壓基準(zhǔn)的修正范圍限制在±5%以內(nèi)避免過度修正引發(fā)振蕩。改完后的實(shí)測數(shù)據(jù)如下負(fù)載電流(A)模塊1電流(A)模塊2電流(A)均流誤差(%)輸出電壓(V)0.50.260.244.05.011.00.510.492.05.001.50.760.741.35.002.01.010.991.04.99均流誤差在高負(fù)載時(shí)反而更好因?yàn)椴蓸有盘柗却罅耸д{(diào)和噪聲的占比在降低。這個(gè)表后來也直接放進(jìn)了設(shè)計(jì)報(bào)告里作為“問題分析與解決”部分的實(shí)證。5. 報(bào)告撰寫與現(xiàn)場測評的那些隱藏考點(diǎn)5.1 報(bào)告不能只貼原理圖測試數(shù)據(jù)才是評分重點(diǎn)電賽評分既有現(xiàn)場硬件測試也要交一本完整的設(shè)計(jì)報(bào)告。很多隊(duì)把精力全放在硬件上報(bào)告最后兩個(gè)鐘頭趕出來結(jié)果得分不理想。其實(shí)報(bào)告寫得好不好直接影響綜合評定。一份好的開關(guān)電源報(bào)告結(jié)構(gòu)大概是方案論證為什么選BUCK為什么不選其他拓?fù)淅碚摲治雠c參數(shù)計(jì)算電感、電容、頻率、分壓電阻這些要有推導(dǎo)過程硬件實(shí)現(xiàn)完整原理圖、PCB布局說明測試方法與記錄每一項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)的測試條件、儀器、原始數(shù)據(jù)問題分析與改進(jìn)調(diào)試中遇到的故障、排查思路、最終修復(fù)方法結(jié)論與心得。評判老師最看重的是“你有沒有理解自己做的電路”。只要把“為什么用這個(gè)參數(shù)”講清楚了即使個(gè)別指標(biāo)差一點(diǎn)分?jǐn)?shù)也不會低。5.2 測試數(shù)據(jù)表怎么組織最有力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)要充分體現(xiàn)指標(biāo)項(xiàng)。我們當(dāng)時(shí)做了三張核心數(shù)據(jù)表負(fù)載調(diào)整率表負(fù)載從空載到滿載記錄輸出電壓變化計(jì)算負(fù)載調(diào)整率電壓調(diào)整率表輸入電壓在允許范圍內(nèi)變化記錄輸出電壓變化均流誤差表不同負(fù)載下兩個(gè)模塊各自的輸出電流以及均流誤差百分比。每一張表都要寫清楚測試條件比如電子負(fù)載型號、萬用表型號、輸入電壓值方便評審還原測試場景。數(shù)據(jù)不要只給一個(gè)“合格”的結(jié)論把原始數(shù)據(jù)全部放上去再用一兩句話分析數(shù)據(jù)趨勢會顯得報(bào)告扎實(shí)很多。5.3 現(xiàn)場測評的避坑提醒現(xiàn)場測評那天的坑和實(shí)驗(yàn)室不一樣最常見的是帶去現(xiàn)場的兩塊板子前一天是好的第二天早上開機(jī)發(fā)現(xiàn)是壞的所以務(wù)必多備一塊焊接好的備用板現(xiàn)場電源、負(fù)載的線都比較亂接線前先確認(rèn)正負(fù)極曾經(jīng)見過有隊(duì)伍把5V輸出接到電子負(fù)載上結(jié)果接反燒了一片電流探頭的地線夾如果夾錯(cuò)位置測出來的波形完全不能判斷環(huán)路是否穩(wěn)定要提前練好示波器使用現(xiàn)場時(shí)間很緊湊每個(gè)指標(biāo)可能只有幾分鐘調(diào)試窗口千萬別在現(xiàn)場改電路參數(shù)。6. 賽后再看這道題給后來學(xué)生的幾點(diǎn)個(gè)人體會比賽結(jié)束后我復(fù)盤了很久最大的體會是三件事。第一賽前一定要獨(dú)立完成一個(gè)基本的BUCK電路從計(jì)算、焊接、上電到調(diào)試完整走一遍。這個(gè)基本功看起來枯燥但它決定了你在四天三夜里遇到問題時(shí)能否快速定位方向。第二并聯(lián)電路的調(diào)試順序必須是“先單機(jī)、后并聯(lián)先純阻性負(fù)載、后電子負(fù)載”。我們當(dāng)時(shí)因?yàn)樘^了單機(jī)重載測試導(dǎo)致并聯(lián)后花了大半夜追限流誤觸發(fā)的坑。第三也是最重要的電賽最值錢的是調(diào)試方法和排查鏈路而不是那塊板子和那本報(bào)告。學(xué)會用示波器看開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形、學(xué)會從現(xiàn)象倒推電路機(jī)理這些能力后來在工作中一遍遍被驗(yàn)證有用。如果你也準(zhǔn)備參加電源方向的電賽希望這份筆記能讓你少踩幾個(gè)我們當(dāng)年踩過的坑。開關(guān)電源這東西方案可以抄電路可以借鑒但接通電源那一刻的波形、溫度和氣味還是得自己親手體會過才算真正入門。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取