CN116404880A - 一种基于多路开关电源并联的高效供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于多路开关电源并联的高效供电系统。所述系统包括：控制单元，n个开关电源模块、n个电流采样模块和n+1个电压采样模块，每个开关电源模块的输出端分别与一个电压采样模块和一个电流采样模块相连，n个电流采样模块的输出端并接后作为所述供电系统的输出端与负载相连，所述输出端与一个电压采样模块相连，还包括输入端分别与n+1个电压采样模块输出端相连、输出端与控制单元相连的测量模块。本发明通过多个开关电源模块并联，能够提高系统的输出功率；通过调节每路PWM信号的占空比，可使每个开关电源模块的输出电流满足任意设定的电流比；通过根据开关电源模块输出电流的大小改变PWM信号的频率，可以降低系统能耗。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种基于多路开关电源并联的高效供电系统。
背景技术
开关电源(Switch Mode Power Supply，简称SMPS)，又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。开关电源不同于线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换，这两个模式都有低耗散的特点，切换期间的转换会有较高的耗散，但由于时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、 医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱、液晶显示器、电脑机箱和仪器类等领域。
随着电力电子技术的快速发展，各类电子系统对电源功率的要求也越来越高，对电流的要求也越来越大。由于受构成电源模块的半导体功率器件、磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输出电流、功率比较小，不能满足大功率负载的需求。为了提高开关电源的输出功率，一般将两个以上的开关电源并联使用。这种方法虽然能够提高电源输出功率，但存在多个开关电源并联后电能利用效率不高的问题，而且各个开关电源输出电流比不可调。为此本发明提出一种基于多路开关电源并联的高效供电系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于多路开关电源并联的高效供电系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种基于多路开关电源并联的高效供电系统，包括：控制单元，n个开关电源模块、n个电流采样模块和n+1个电压采样模块，每个开关电源模块的输出端分别与一个电压采样模块和一个电流采样模块相连，n个电流采样模块的输出端并接后作为所述供电系统的输出端与负载相连，所述输出端与一个电压采样模块相连，还包括输入端分别与n+1个电压采样模块输出端相连、输出端与控制单元相连的测量模块；控制单元向每个开关电源模块输出一路占空比和频率可调的PWM信号，通过调节每路PWM信号的占空比使n个开关电源模块的输出电流满足设定的电流比，并根据开关电源模块输出电流的大小改变PWM信号的频率以降低系统损耗；其中n≥2。
进一步地，所述开关电源模块包括直流整流电源和Boost电路。
进一步地，所述电压采样模块主要由两个或两个以上的串联电阻组成。
进一步地，所述电流采样模块主要由采样电阻组成。
更进一步地，第i个开关电源模块的输出电流I i 为：
式中，V i 、V 0分别为第i个开关电源模块输出端电压和所述系统输出端电压，分别基于第i个电压采样模块输出电压和与所述系统输出端相连的电压采样模块的输出电压获得，R i 为第i个电流采样模块的采样电阻，i=1,2,…,n。
进一步地，所述测量模块主要由依次相连的光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器组成。
进一步地，所述系统还包括与控制单元相连主要由显示器和键盘组成的人机交互模块。
更进一步地，所述PWM信号的占空比的调整方法包括：
获取由人机交互模块输入的n个开关电源模块的输出电流占比和负载电流；
按下式计算每个开关电源模块的输出电流：
式中，I为负载电流，I i 为第i个开关电源模块的输出电流，k i 为第i个开关电源模块的输出电流的占比，即与负载电流I的比，0≤k i ≤1，i=1,2,…,n；
调整每个PWM信号的占空比，使每个开关电源模块的输出电流等于上述计算得到的电流。
更进一步地，所述PWM信号的频率的调整方法包括：
实时获取每个开关电源模块的输出电流；
通过计算每个开关电源模块输出电流的和得到负载电流；
如果所述负载电流小于设定的阈值，调整输入到每个开关电源模块的PWM信号的频率，使其明显低于正常工作频率。
进一步地，所述系统还包括控制端与控制单元相连的切换开关，所述切换开关的输入端分别与n个电流采样模块的输出端相连，输出端分别与不同的负载相连；控制单元根据每个负载的大小自适应选取不同功率的开关电源模块为每个负载供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
本发明通过设置控制单元、n个开关电源模块、n个电流采样模块、n+1个电压采样模块和测量模块，每个开关电源模块与一个电流采样模块串联后并联在一起为负载供电，控制单元向每个开关电源模块输出一路占空比和频率可调的PWM信号，通过调节每路PWM信号的占空比使n个开关电源模块的输出电流满足设定的电流比，并根据开关电源模块输出电流的大小改变PWM信号的频率以降低系统损耗。本发明通过多个开关电源模块并联，能够提高系统的输出功率；通过调节每路PWM信号的占空比，能使每个开关电源模块的输出电流满足任意设定的电流比；通过根据开关电源模块输出电流的大小改变PWM信号的频率，可以降低系统能耗。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于多路开关电源并联的高效供电系统的组成框图。图中：1-控制单元，2-开关电源模块，3-电流采样模块，4-电压采样模块，5-测量模块。
图2为开关电源的拓扑结构示意图。
图3为切换开关连接示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一种基于多路开关电源并联的高效供电系统的组成框图，所述系统包括：控制单元1，n个开关电源模块2、n个电流采样模块3和n+1个电压采样模块4，每个开关电源模块2的输出端分别与一个电压采样模块4和一个电流采样模块3相连，n个电流采样模块3的输出端并接后作为所述供电系统的输出端与负载相连，所述输出端与一个电压采样模块4相连，还包括输入端分别与n+1个电压采样模块4输出端相连、输出端与控制单元1相连的测量模块5；控制单元1向每个开关电源模块2输出一路占空比和频率可调的PWM信号，通过调节每路PWM信号的占空比使n个开关电源模块2的输出电流满足设定的电流比，并根据开关电源模块2输出电流的大小改变PWM信号的频率以降低系统损耗；其中n≥2。
本实施例中，所述系统主要由控制单元1、开关电源模块2、电流采样模块3、电压采样模块4和测量模块5组成。各模块的连接关系如图1所示，下面分别对每个模块的功用进行介绍。
开关电源模块2，是所述系统的主要组成部分，用于为负载提供正常工作需要的直流电压。开关电源是一种高频化电能转换装置。开关电源中的晶体管只有饱和、截止两种工作状态，即只工作在饱和区和截止区，只有在这两种状态间切换时才有少量的能耗，因此与晶体管工作在放大区的线性电源相比，开关电源具有能耗低的特点。如图1所示，n个开关电源模块2分别串联一个电流采样模块3后并联在一起。由于电流采样模块3一般为一个阻值很小的采样电阻，压降很小，因此n个开关电源模块2近似直接并联在一起为负载供电，可使所述系统的最大输出功率提高到一个开关电源模块2输出功率的n倍。值得说明的是，本实施例的每个开关电源模块2正常工作需要的PWM信号，并不是由每个开关电源模块2本身产生的，而是由控制单元1统一产生的，因此，控制单元1实际上也属于开关电源模块2的组成部分。
电流采样模块3，一般由一个电流采样电阻组成，用于输出与开关电源模块2输出电流成正比的电压，与测量模块5和控制单元1配合可获得开关电源模块2的输出电流。本实施例中，一个电流采样模块3与一个开关电源模块2串联，因此共需要n个电流采样模块3。
电压采样模块4，用于输出与开关电源模块2输出电压成正比的电压，与测量模块5和控制单元1配合可获得开关电源模块2的输出电压。本实施例中，共需要n+1个电压采样模块4，其中n个分别与n个开关电源模块2的输出端相连，用于分别测量每个开关电源模块2的输出电压，1个与n个电流采样模块3的并接点也就是所述系统的输出端相连，用于测量系统的输出电压。
测量模块5，用于对n+1个电压采样模块4的输出电压进行放大变换，最后输出数字信号至控制单元1，控制单元1基于所述数字信号计算每个开关电源模块2的输出电流和电压。由于每个电流采样模块3两端的电压很小，每个开关电源模块2的输出电压与系统输出电压近似相等。
控制单元1，主要用于通过输出各种控制信号协调各模块的工作，还用于完成一些简单的数据处理任务。比如，通过向每个开关电源模块2输出一路PWM信号，使每个开关电源模块2输出满足要求的直流电压；通过调节每路PWM信号的占空比使n个开关电源模块2的输出电流满足设定的电流比，如0.1:0.2:…:0.5；通过改变PWM信号的频率以降低负载较轻或空闲时的系统损耗。负载的轻重与负载电流大小相关，因此可根据负载电流大小判定负载是否较轻或空闲。负载电流等于每个开关电源模块2输出电流的和。后面的实施例将分别给出一种PWM信号占空比和频率的调节方法。值得说明的是，本实施例开关电源模块2的数量n≥2，虽然没有给出上限，但由于实际电流的限制，n不能取得太大，一般为2~4。控制单元1主要由单片机和外围电路组成，所述单片机应设有多路PWM输出口。
作为一可选实施例，所述开关电源模块2包括直流整流电源和Boost电路。
本实施例给出了开关电源模块2的一种技术方案。本实施例的开关电源模块2主要由直流整流电源和Boost电路组成。图2给出了一种开关电源的拓扑结构，属BoostPFC稳压加半桥式开关电源类型，220V/50Hz交流电经过PFC电路和半桥驱动，输出400V方波供给变压器，变压器副边经过整流滤波输出35V直流电压。
作为一可选实施例，所述电压采样模块4主要由两个或两个以上的串联电阻组成。
本实施例给出了电压采样模块4的一种技术方案。本实施例的电压采样模块4采用电阻分压方式，将两个或两个以上的串联电阻并联在监测点与地之间，从其中一个或两个电阻两端的输出电压，所述电压除以对应的分压比就可以得到监测点的电压。
作为一可选实施例，所述电流采样模块3主要由采样电阻组成。
本实施例给出了电流采样模块3的一种技术方案。将一个阻值很小的采样电阻串联在开关电源模块2的输出端与负载之间。电流测量原理是欧姆定律，即用采样电阻两端的电压除以采样电阻得到开关电源模块2的输出电流。
作为一可选实施例，第i个开关电源模块2的输出电流I i 为：
式中，V i 、V 0分别为第i个开关电源模块2输出端电压和所述系统输出端电压，分别基于第i个电压采样模块4输出电压和与所述系统输出端相连的电压采样模块4的输出电压获得，R i 为第i个电流采样模块3的采样电阻，i=1,2,…,n。
本实施例给出了每个开关电源模块2输出电流的计算方法。如前述，所述输出电流等于采样电阻两端的电压与采样电阻的比值，上面公式中的V 0-V i 即为采样电阻两端的电压，V i 为第i个开关电源模块2输出端电压，V 0为所述系统输出端电压，R i 为第i个电流采样模块3的采样电阻。一般所有采样电阻取相等的阻值，即R i =R，i=1,2,…,n。
作为一可选实施例，所述测量模块5主要由依次相连的光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器组成。
本实施例给出了测量模块5的一种技术方案。本实施例的测量模块5由多路（n+1路）光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器组成。光耦隔离器主要用于高压隔离，防止后面的低压电路如A/D转换器和控制单元等被损坏。电压放大器用于对采样的电压信号进行放大。A/D转换器用于将模拟电压信号转换成控制单元1能够处理的数字信号。值得说明的是，A/D转换器可以复用，即多路放大器的输出通过连接多选一模拟开关共用一个A/D转换器，有时也可利用控制单元1内部的A/D转换器。
作为一可选实施例，所述系统还包括与控制单元1相连主要由显示器和键盘组成的人机交互模块。
为了便于人工干预，本实施例通过设置了与控制单元1相连的人机交互模块，比如通过键盘输入各种控制参数，在显示器上显示各种数据等。
作为一可选实施例，所述PWM信号的占空比的调整方法包括：
获取由人机交互模块输入的n个开关电源模块2的输出电流占比和负载电流；
按下式计算每个开关电源模块2的输出电流：
式中，I为负载电流，I i 为第i个开关电源模块2的输出电流，k i 为第i个开关电源模块2的输出电流的占比，即与负载电流I的比，0≤k i ≤1，i=1,2,…,n；
调整每个PWM信号的占空比，使每个开关电源模块2的输出电流等于上述计算得到的电流。
本实施例给出了通过调节PWM信号的占空比使每个开关电源模块2按照指定的输出电流占比工作。首先接收由键盘输入的电流占比和负载电流。所述电流占比是指单个开关电源模块2输出电流与负载电流（所有开关电源模块输出电流的和）的比值，表示为k 1:k 2:…:k n ；然后根据所述占比和负载电流计算每个开关电源模块2的输出电流；最后通过调节输入到每个开关电源模块2的PWM信号的占空比使其输出电流等于计算得到的电流。当然，调节过程可能存在相互影响，可通过微调消除这种影响。本实施例通过调节PWM信号的占空比可获得任意占比的电流输出，解决了现有技术采用多电源模块并联存在的只能按固定的占比输出电流的问题。
作为一可选实施例，所述PWM信号的频率的调整方法包括：
实时获取每个开关电源模块2的输出电流；
通过计算每个开关电源模块2输出电流的和得到负载电流；
如果所述负载电流小于设定的阈值，调整输入到每个开关电源模块2的PWM信号的频率，使其明显低于正常工作频率。
本实施例给出了通过调节PWM信号的频率降低系统功耗的一种技术方案。如前述，开关电源中的开关管只有饱和、截止两种工作状态，即只工作在饱和区和截止区，理论上这两种工作状态的开关管没有功耗（一种情况电压为0，一种情况电流为0），只有在这两种状态间切换时才有少量的能耗。很显然，PWM信号的频率越高所述功耗越大，而当负载较轻或空载时很低的PWM信号频率就能满足负载供电需求，因此，为了降低开关管功耗，可在负载较轻或空载时输出频率很低的PWM信号至开关电源模块2。以上本实施例的技术原理，可通过对负载电流进行监测，当负载电流小于设定的阈值时（负载较轻或空载），减小PWM信号频率以降低开关管功耗，从而降低系统功耗。
作为一可选实施例，所述系统还包括控制端与控制单元1相连的切换开关，所述切换开关的输入端分别与n个电流采样模块3的输出端相连，输出端分别与不同的负载相连；控制单元1根据每个负载的大小自适应选取不同功率的开关电源模块2为每个负载供电。
本实施例给出了与多个开关电源模块2并联等效的一种供电方式。前面的实施例都是通过多个开关电源模块2并联在一起后为负载供电来提高供电功率的，这种供电方式虽然能够提高系统输出功率，但供电方式有时显得不够灵活。比如，当多个需要供电的负载轻重相差比较大（负载电流大小不一）时，统一用一个大功率电源供电存在因电源与负载不匹配使电源不能输出最大功率的问题。为此，本实施例设置了一个切换开关，不再将多个开关电源模块2直接并联，而是将多个开关电源模块2的输出（通过一个电流采样 模块）分别与切换开关的一个输入端相连，将每个负载分别与切换开关的一个输出端相连，如图3所示。这样，控制单元1可以根据负载电流的大小（轻重），通过控制切换开关将与每个负载匹配的开关电源模块2与之接通，即大功率开关电源模块2接通大负载，小功率开关电源模块2接通小负载。当然，为了满足大负载的供电需求，可以同时将两个以上的开关电源模块2接通一个大负载。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，包括：控制单元，n个开关电源模块、n个电流采样模块和n+1个电压采样模块，每个开关电源模块的输出端分别与一个电压采样模块和一个电流采样模块相连，n个电流采样模块的输出端并接后作为所述供电系统的输出端与负载相连，所述输出端与一个电压采样模块相连，还包括输入端分别与n+1个电压采样模块输出端相连、输出端与控制单元相连的测量模块；控制单元向每个开关电源模块输出一路占空比和频率可调的PWM信号，通过调节每路PWM信号的占空比使n个开关电源模块的输出电流满足设定的电流比，并根据开关电源模块输出电流的大小改变PWM信号的频率以降低系统损耗；其中n≥2。
2.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述开关电源模块包括直流整流电源和Boost电路。
3.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述电压采样模块主要由两个或两个以上的串联电阻组成。
4.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述电流采样模块主要由采样电阻组成。
5.根据权利要求4所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，第i个开关电源模块的输出电流I i 为：
6.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述测量模块主要由依次相连的光耦隔离器、电压放大器和A/D转换器组成。
7.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述系统还包括与控制单元相连主要由显示器和键盘组成的人机交互模块。
8.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述PWM信号的占空比的调整方法包括：
获取由人机交互模块输入的n个开关电源模块的输出电流占比和负载电流；
按下式计算每个开关电源模块的输出电流：
调整每个PWM信号的占空比，使每个开关电源模块的输出电流等于上述计算得到的电流。
9.根据权利要求8所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述PWM信号的频率的调整方法包括：
实时获取每个开关电源模块的输出电流；
通过计算每个开关电源模块输出电流的和得到负载电流；
如果所述负载电流小于设定的阈值，调整输入到每个开关电源模块的PWM信号的频率，使其明显低于正常工作频率。
10.根据权利要求1所述的基于多路开关电源并联的高效供电系统，其特征在于，所述系统还包括控制端与控制单元相连的切换开关，所述切换开关的输入端分别与n个电流采样模块的输出端相连，输出端分别与不同的负载相连；控制单元根据每个负载的大小自适应选取不同功率的开关电源模块为每个负载供电。
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