并联均流的恒压开关电源[文献综述].doc

1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 并联均流的恒压开关电源 摘要 ： 利用多个电源模块并联运行是扩大电源系统容量和提高可靠性的有效方法 ， 而并联运行的核心问题是负载均衡 。 在比较了常用的均流方法和负载共享控制芯片之后 ， 采用最大电流自动均流法 ， 选择高级负载共享控制器 UCC39002 对相同输出功率模块和不同输出功率模块分别进行并联试验 。 试验结果表明 ， 并联系统运行良好 ， 模块电源输出电流最大分配误差小于 2%， 负载调整率也控制在 1%以内 ， 满足大多数应用需要 。 关键词 ： 电源 ； 并联 ； 均流 / 自动均流 ； 控制芯片 。 1 引言 将多个

2、中小功率模块电源并联可以共同承担大功率的输出 ， 组成分布式电源系统 。 与传统的集中式电源系统相比 ， 它可以通过改变并联模块的数量来满足负载的大功率要求而无须重新设计电源系统 。 电源并联运行是电源产品模块化 、 大容量化的一个有效方法 。 同时电源 N+n 的冗余并联运行模式可以提高电源系统可靠性 。 由于各单元模块输出电压不完全相同 ， 输出阻抗也不一致 ， 若直接并联 ， 会使其承受不均衡负载 ， 导致某些电源模块因输出电流偏大而缩短寿命 ， 甚至因过流发生故障 ， 因此必须采取均流措施来均衡各个电源模块的输出电流 。 2 均流 方法 目前 ， 开关电源并联系统常用的均流方法 1有

3、： 输出阻抗法 、 主从设置法 、 平均电流自动均流法 、 最大电流自动均流法 、 热应力自动均流法和外加均流控制器均流法 。 其中 ， 最大电流自动均流法以其均流精度高 ， 负载调整率高 ， 动态响应好 ， 可实现冗余等技术特点 ，越来越受到产品开发人员的青睐 。 其工作原理是 ： 输出电流最大的模块被自动确定为主模块 ，主模块确定与其输出电流成比例的均流总线电压 ， 而从模块以均流总线电压为基准 ， 增加自身的电流输出 ， 以达到每个模块负载均衡的目的 。 3 负载均衡控制器 常用的最大电流自动均流控制芯片有 UC3902， UC3907， UCC390022 5和 L6615 等 。 它

4、们的工作原理基本相同 ， 只是在结构和性能上有一些差别 。 UC3902 的输入电压 Uinmin=2.7 2 V， Uinmax=20 V， 均流精度小于 1%， 总线采用差分模式 ， 有 8 个管脚 ， 电流运放倍数为 40，工作电流 6 mA； UC3907 的 Uinmin=4.5 V， Uinmax=35 V， 均流精度为 2.5%， 总线采用单端模式 ， 有 16 个管脚 ， 电流运放倍数为 20， 工作电流 6 mA； UCC39002 的 Uinmin=4 V， Uinmax=15 V， 均流 精度为小于 1%， 总线采用单端模式 ， 有 8 个管脚 ， 电流运放倍数小于 3，

5、 工作电流 2.5 mA。 相比之下 ， UCC39002 的性能更为突出 ， 外围电路简单 ， 故将其作为并联负载均衡控制器 。 UCC39002具有高精度电流检测放大器以构成电流控制环 ， 将输出电流最大的模块确定为主模块 ， 然后将产生电流均衡调整信号接入外部电压控制环 。 在非隔离电流检测模式的应用中 ， UCC39002 可在输出的高压端或低压端 （ 接地参考 ） 任意监测 。 UCC39002 的电流检测放大器补偿网络由用户自定义 ， 在输出电流不同的模块并联应用中只需更改 放大器的放大倍数而无需更改电流检测电路 。 UCC39002 提供了多个独立电源或者 DC/DC 模块并联均

6、流所需的所有功能 。 其特点是 ： 在全负载电流范围内 ， 电流均流误差小于 1%； 可设置高端检测输出电流或低端检测电流 ； 超低失调电压的电流检测放大器 ； 内有单线的负载均流总线 ； 全量程可调节 ； 适用于 Intel SSI负载均流技术要求 ； 备用状态时 ， 与负载均流总线不连接 ； 均流总线可克服对地短路或接电源正极短路 ； 小尺寸 8 管脚 MSOP 封装 ，外围器件少 。 UCC39002 内部框图如图 1 所示 。 4 主功率 电路设计 对两组模块电压源进行均流试验 。 第一组的两模块电压源额定输出均为 10 V/3 A， 第二组额定输出分别是 10 V/3 A 和 10

7、V/1.5 A。 单个模块电源的电路结构相同 ， 如图 2 所示 。3 输出电压反馈接到 PWM 芯片 TL494 构成的电压控制回路 。 输出电流经霍尔电流传感器检测 ， 再经 UCC39002 处理构成电流控制回路的调整电压 ， 作为控制回路的参考电平 ， 进而调整 输出电压以达到输出电流均衡 。 模块电源原理框图如图所示： 5 UCC39002 外部电路设计 UCC39002 外部电路如图 3 所示 。 霍 尔电流传感器选择 LT5C， 满量程测量 5 A 时输出电流为 5 mA， 出于抗干扰考虑 ， 取样电阻取 500 。 对应模块电源满载电流 3 A 时 ， LT5C 的输出为 1.

8、5 V。 UCC39002 的电流放大器放大倍数设计为 6 倍 ， 满载时均流总线电压 ULs=9 V。 为了避免均流控制环与电压控制环之间相互干扰 ， 保证电压控制环的稳定性 ， 均流控制环的剪切频率至少比电压控制环的低 10 倍 ， 这样就能忽略在电压控制环剪切频率附近的均流控制环增益 。 通过主回路小信号分析计算 ， 若电压控制环的剪切频率约为 10 kHz， 则均流控制环 剪切频率应在 1 kHz 以下 。 UCC39002 内部的调整三极管发射极最大电流为 6 mA， 内部串联 500 电阻 ， 所以外部需串联一个 1.5 k 的限流电阻 。 同时应使调整三极管集电极电平比发射极电平

9、至少高 1 V，4 以保证三极管工作在放大区 。 6 试验结果及分析 6.1 并联输出电流分配误差和输出电压 第一组试验 ： 1# 和 2# 模块的额定输出均为 10 V/3 A， 测试曲线如图 4 所示 。 由单独输出电压曲线可以看出 ， 单模块输出电压随输出电流增大而平缓下降 ， 恒压特性良好 ， 两模块负载调整率分别为 0.7 和 0.5 。 而由并联输出电流分配误差 e 曲线可见 ， 输出平均电流较小阶段的均流误差大于输出平均电流较大阶段 ， 结合单独输出电压曲线可以验证 ，并联模块的输出电压差异越大 ， 则输出电流分配越不均匀 。 比较单独输出电压曲线和并联输出电压曲线可知 ， 与恒

10、压源输出电压随输出电流增加而只降不升的常规不同 ， 后者在输出电流增加时出现了输出电压上升的现象 。 究其原因 ， 最大电流自主均流法是通过增大从模块输出电压来均衡分配输出电流 ， 在均流调节过程中使得并联输出电压上升 。 1#和 2# 输出电流分配误差计算公式分别为 （ I1 0.5Io） /（ 0.5Io） 和 （ I2 0.5Io） /（ 0.5Io）。 第二组试验 ： 3# 模块和 4# 模块额定输出各为 10 V/1.5 A 和 10 V/3 A， 测试曲线如图 5 所示 。 从各自的单独输出电压曲线可以看出 ， 两模块的恒压特性良好 ， 负载调整率分别为0.7 和 1.3 。 但与

11、第一组试验相比 ， 两模块输出特性的差异性更大 ， 造成并联输出电流均衡度更差 ， 这意味着为实现输出电流均衡分配需要对输出电压进行更大的调整 。 比较两组 e 曲线亦可看出第二组的分配误差较大 。 而且与基于 UCC39002 并联均流的恒压开关电源第一组相比 ， 第二组 并联输出电压比单独输出电压高出更多 ， 也证实该组的均衡电流调整幅度要更大一些 。 为了减小 e， 均流控制调整幅度必须更大 。 调整过程中两模块竞相争主 ， 使各模块输出电压竞相上升 ， 抬高了并联输出电压 。 这是最大电流自主均流法的一个缺点 ， 极端情况下可能使并联输出电压超出允许范围而危害负载 ， 因此必须限制均衡

12、电流控制对输出电 5 压的调整幅度 。 3# 和 4# 输出电流分配误差计算公式分别为 （ I3 Io /3） /（ Io /3） 和 （ I4 2Io /3） /（ 2Io /3）。 6.2 输出电流波形 输出电流波形是在第一组试验中两模块输 出电流均为 0.75 A 条件下采集的 。 比较图 6a 所示两模块直接并联输出电流波形和图 6b 所示均流控制下两模块的并联输出电流波形 ， 验证了两个恒压模块并联运行的核心问题是负载均衡 。 未采取均流控制时 ， 直接并联的两模块电源的输出电流有很大差异 ， 甚至导致某个模块几乎承担了全部的负载电流 。 恒压模块并联运行的另一个问题 ， 就是过渡过

13、程的过流问题 。 图 6c， d 是图 6b 中两模块过渡过程波形的展开图 。 由图 6c 可见 ， 由于两模块的启动时刻和响应快慢不一致 ， 以及模块本身的差异 ，再加上阶跃响应的超调量 ， 势必造成启动过程中存在过 流现象 ， 必须对其加以抑制 ， 否则可能毁坏某个模块 。 由图 6d可见 ， 并联系统关机时刻同样存在输出电流过大的现象 ， 但此刻前级已关闭 ， 能量通道已切断 ， 输出电流均衡操作已经失效 。 从模块电源单独运行输出电压曲线可知 ， 1# 模块输出电压比 2# 模块稍高些 ， 并联时承担的负载电流也稍大 。 由此可推知 ，关机时刻前 2# 模块 LC 滤波部分存储的能量更

14、多 ， 因此关机时刻 2# 模块电容 C 上的电压突增 ， 此刻的并联系统相当于两个模块的 LC 滤波部分直接并联 ， 电压较高的 2# 模块自然承担大部分负载电流而出现输出电流突增的现象 。 只是此刻前 级开关管已无能量通过 ， 不会被损坏 。 负载也不会受到影响 ， 这点可由并联输出电流波形得到证明 。 6 4 结束语 最大电流自动均流法通过微调输出电压 ， 实现模块间的负载均衡 ， 实际上就是牺牲恒压精度获取电流分配误差指标 。 折中选取这两个指标可使模块电源输出电流最大分配误差小于 2%， 恒压精度也控制在 1%以内 ， 满足大多数应用需要 。 为保证高恒压精度 ， 恒压开关电源必须具

15、有很小的输出阻抗 。 输出阻抗特性的极小差别会导致恒压电源并联系统中各模块所分配的负载电流很大的差异 ， 成为恒压电源并联系统的瓶颈问题 。 如果给恒压电源内部增加电 流控制环 ， 用并联均流控制信号去调整电流环以使输出电流均衡 ， 则不会影响输出电压 ， 从而使恒压开关电源并联系统具有更好输出电流均衡精度而不损失恒压精度 。 参考文献： 1 侯振义 .直流开关电源技术及应用 M 北京 ： 电子工业出版社 ， 2006 2 Advanced 8-Pin Load-Share Controller R.Texas Instruments， 2001， SLUS495H 3 Lisa Dinwoo

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