開關(guān)電源并聯(lián)均流技術(shù)

1、開關(guān)電源源并聯(lián)均流技林Tech ni que of Parallel Bala need Curre nt in SMPS北京電子信息大I學(xué)路秋生張艷艷；杰(北京10003;1)摘要：討論幾種常用的開關(guān)電源并聯(lián)均流技術(shù)，闡述其主要工作原理及特點(diǎn)關(guān)鍵詞：均流主從控制電源內(nèi)阻1引言在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于一臺(tái)直流穩(wěn)定電源的輸岀參數(shù)(如電壓、電流、功率)不能滿足要求，而滿足這 種參數(shù)要求的直流穩(wěn)定電源，存在重新開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的過程，勢(shì)必加大電源的成本、延長(zhǎng)交貨時(shí)間、影響 工程進(jìn)度。因此在實(shí)用中往往采用模塊化的構(gòu)造方法，采用一定規(guī)格系列的模塊式電源，按照一定的串聯(lián)或并 聯(lián)方式，分別達(dá)到輸出電壓、輸出電

2、流、輸出功率擴(kuò)展的目的。但是電源輸岀參數(shù)的擴(kuò)展，僅僅通過簡(jiǎn)單的串、并聯(lián)方式還不能完全保證整個(gè)擴(kuò)展后的電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 的工作。不論電源模塊是擴(kuò)壓還是擴(kuò)流，均存在一個(gè)“均壓”、“均流”的問題，而解決方法的不同，對(duì)整個(gè) 電源擴(kuò)展系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性都有很大的影響。由于目前穩(wěn)定電源輸岀擴(kuò)流應(yīng)用較多，本文僅討論開關(guān)電源 并聯(lián)均流技術(shù)。均流的主要任務(wù)是：(1) 當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，每臺(tái)電源的輸出電壓變化相同。(2) 使每臺(tái)電源的輸出電流按功率份額均攤。2提高系統(tǒng)可靠性方法(1) 在電源并聯(lián)擴(kuò)流過程中，為了提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，可采用N+n冗余的方法。其中n表示冗余份數(shù)，m 值越大，系統(tǒng)工作可靠性越高，但是系統(tǒng)成

3、本也相應(yīng)增加。(2) 采用均流技術(shù)保證系統(tǒng)正常工作。在電源并聯(lián)擴(kuò)流中，應(yīng)用較為廣泛的辦法是自動(dòng)均流技術(shù)。它通過 取樣、電子控制調(diào)節(jié)環(huán)路來保證整個(gè)系統(tǒng)的輸出電流按每個(gè)單元的輸出能力均攤，以達(dá)到既充分發(fā)揮每個(gè)單元 的輸岀能力，又保證每個(gè)單元可靠工作的目的。(3) 均流技術(shù)應(yīng)滿足條件：所有電源模塊單元應(yīng)采用公共總線。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有良好的均流瞬態(tài)響應(yīng)特性。整個(gè)并聯(lián)輸出擴(kuò)流系統(tǒng)有一個(gè)公共控制電路。(4) 常用的幾種并聯(lián)均流技術(shù)：改變單元輸出內(nèi)阻法(斜率控制法)主/ 從控制法(master/slave )外部控制電路法-平均電流型自動(dòng)負(fù)載均流法最大電流自動(dòng)均流法(自動(dòng)主/從法、民主均流法)-強(qiáng)迫均流法 3

4、關(guān)于均流技術(shù)中常用的一些概念13. 1穩(wěn)壓源（CV電路框圖和特性曲線分別如圖1 （a）、（b）所示，輸岀電壓U0=RUREFR1圖13. 2穩(wěn)流源（CC3(b)圖23. 3CV/CQ 恒壓/恒流交疊)特性曲線如圖3所示Lt 恒壓怔囚厲交曾點(diǎn)恒流憧oi圖34常用幾種均流技術(shù)的工作原理4. 1改變單元輸出內(nèi)阻法(斜率控制法、電壓下垂式、輸出特性斜率控制式)實(shí)現(xiàn)方式：UC固定，改變斜率斜率固定，改變輸出電壓(1) 工作原理和特性曲線(b)圖4見圖4 (a)、( b),圖中 lmax=A UOImax/ Uslope,內(nèi)阻 RO= UO IO當(dāng)單元輸岀電流101增加時(shí)，101在電流檢測(cè)電阻R上的壓降增

5、加，致使A1輸岀電壓增加，與單元電壓反饋信號(hào)UF疊加后送至A 2反相輸入端，經(jīng)A2放大后輸岀Ur變負(fù)，利用這個(gè)Ur電壓控制單元輸岀電流，從而實(shí) 現(xiàn)均 流。由圖4 (b)可以 看岀：當(dāng) 典型值 UO0. 1%, Usl ope= 2%,則 max=0.05l max,即調(diào)整精度為5%。這 種調(diào)節(jié)精度對(duì)大多數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來 說是能接受的。(2)改變單元輸出內(nèi)阻法(斜率法)特點(diǎn)小電流時(shí)均流 效果較差，這點(diǎn)可從公式 I max=0.05l max看岀。大電流時(shí)均流 效果較好。對(duì)電壓源來 說，內(nèi)阻RO (斜率)應(yīng)越 小越好，但是這種均流方法 利用改變RO來實(shí)現(xiàn)均流，降低了電源輸 出的負(fù)載特性，即以犧牲電路的

6、技術(shù) 指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)均流。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，這種方法很容易實(shí)現(xiàn)程控，從而實(shí) 現(xiàn)比較理想的均流控制特性。4. 2主/從控制法(Mister/ Slave)(1) 工作框圖見圖5,在這種工作方式 下用n個(gè)單元，其中一個(gè)單元(主控單元)工作在電壓源(CV方式，其余n 1個(gè)單元工作于電流源(CC方式， 利用來自輸岀電流的 誤差電壓 U來實(shí)現(xiàn)均流控制。它實(shí)際 上是由電壓環(huán)(外環(huán))和 電流環(huán)(內(nèi)環(huán))構(gòu)成電流控制型的 雙環(huán)控制，或 說成是電壓控制的電流源。(2) 主要特點(diǎn)一旦主控單元出 現(xiàn)故障則 整個(gè)系統(tǒng)崩潰。主/從單元間必 須要有通訊聯(lián)系，所以整個(gè)系統(tǒng)較 復(fù)雜-可靠性取決于主模塊，只能均流，不能構(gòu)成冗余

7、系統(tǒng)。-適用于n個(gè)功率單元的系統(tǒng)。4. 3外部電路控制法(1) 工作原理每一個(gè)單元加一個(gè)輸岀電流 檢測(cè)電路來檢測(cè)它的電流，產(chǎn)生的 反饋信號(hào) 調(diào)節(jié)每個(gè)單元的電流，從而達(dá)到各單元間輸出均流的目的。在這種情況下，每個(gè)單元間應(yīng)有公共總線。(2) 優(yōu)缺點(diǎn)這種控制方法均流 效果較好，但是每個(gè)單元 需附加一個(gè)電流控制電路，成為控制環(huán)路的一部分，需滿足環(huán)路的總體要求，否則會(huì)降低單元的技術(shù)指標(biāo)及工作穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。由于每個(gè)單元都 需要一個(gè)控制電路，所以整個(gè)擴(kuò)流系統(tǒng)連線較多。4. 4平均電流型自動(dòng)負(fù)載均流法(自動(dòng)均流)(1) 工作框圖見圖6,這種均流方式采用一個(gè) 窄帶電流放大器，輸岀端通過阻值為R

8、的電阻連到均流母線上，n個(gè)單元采用n個(gè) 這種結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸岀達(dá)到均流時(shí)，電流 放大器輸岀電流I 1為零，這時(shí)101處于均流工作 狀態(tài)。反之，在電阻F上產(chǎn)生一個(gè) Uab由這個(gè)電壓控制 A1,由A1再控制單元功率級(jí)輸出電流，最終達(dá)到均流。特點(diǎn)均流效果較好，易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確均流。在具體使用中，如出 現(xiàn)均流母線短路或接在母線上的一個(gè)單元不工作時(shí)，母線電壓下降，將使每個(gè)單元輸岀電壓 下調(diào)，甚至達(dá)到下限，以致造成故障。并且當(dāng)某一模塊的電流 上升至Io 口&時(shí)，電流 放大器輸岀電流也 達(dá)到極限值，同時(shí) 致使其它單元輸出電壓自動(dòng) 下降。可以構(gòu)成冗余系統(tǒng)，均流模塊數(shù)理論上可以不限。缺點(diǎn)為了使系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程始終穩(wěn)定，通

9、常要限制最大調(diào)節(jié)范圍，要將所有電壓調(diào)節(jié)到電壓 捕捉范圍以內(nèi)。如 果有一個(gè)模塊均流線 短路，則系統(tǒng)無法均流。單個(gè)模塊 限流也可能引 起系統(tǒng)不穩(wěn)定。在大系統(tǒng)中， 系統(tǒng)穩(wěn)定性 與負(fù)載均流瞬態(tài)響應(yīng)的 矛盾很難解決。如 果在圖6中的F支路上串一只二極管，則構(gòu)成所講的最大電 流自動(dòng)均流法。4. 5最大電流自動(dòng)均流法(民主均流法，自動(dòng)主/從控制法)(1) 工作原理將圖6所示均流框圖中的電阻 R用一個(gè)二極管代替，二極管正端接a,負(fù)端接b。這樣 只有當(dāng)n個(gè)單元中輸岀電流最大的一個(gè)電流 放大器輸岀才能使二極管導(dǎo) 通，從而影響均流 母線電壓，進(jìn)而達(dá)到 該單元均流調(diào)節(jié)作用。這 種方法一次只有一個(gè)單元參與調(diào)節(jié)工作。特點(diǎn)

10、在這種均流方式 下，參與調(diào)節(jié)的單元由n個(gè)單元中的最大輸岀電流單元決定，一 次只有這個(gè)最大輸岀電流 單元工作，這個(gè)最大電流單元是 隨機(jī)的，所以有 人把這種均流方法 叫做“民主均流法”。又由于一 旦最大均流 單元工作，它 處于主控狀態(tài)，別的單元 則處于被控狀態(tài)，因此又有 人把這種方法 叫做“自動(dòng)主/從控制法”。由于二極管總有正向壓降，因而主單元均流總有 誤差，而從單元的均流 效果是較好的。美國(guó)優(yōu)尼則 公司 的UC390凍成均流控制芯片就工作在這種方式 下。最大均流法的特點(diǎn)和平均電流法的特點(diǎn)相似。4. 6強(qiáng)迫均流法所謂強(qiáng)迫均流，就是通過監(jiān)控模塊實(shí) 現(xiàn)均流。實(shí) 現(xiàn)方式主要有 軟件控制和 硬件控制兩種。

11、軟件控制是通過 軟件計(jì)算，比較模塊電流 與系統(tǒng)圖78#平均電流，然后再調(diào)整模塊電壓，使其電流 與平均電流相 等。軟件方式易于實(shí)現(xiàn)，均流精度高，但其瞬態(tài)響應(yīng) 比較差，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。硬件控制方式原理如圖7所示，取樣電壓Us與系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓Ur相 比較產(chǎn)生誤差電壓Ue ,該電壓送至每個(gè)模 塊，與模塊電流相 比較，調(diào)節(jié)模塊參 考電壓，從而改變輸出電壓，調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)均流。這樣，每個(gè)模塊都相當(dāng)于電壓控制的電流源。這種均流方式 精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可控制模塊多，可以很方便的組成冗余系統(tǒng)。對(duì)這種硬件強(qiáng)迫均流方法的一種改進(jìn)就是所謂的PW強(qiáng)迫均流法。工作原理如圖 8所示。圖8#強(qiáng)迫均流依賴監(jiān)控模塊，如 果監(jiān)控模

12、塊失效，則無法均流，這一點(diǎn)使用時(shí)應(yīng) 注意。在強(qiáng)迫均流中，每個(gè) 監(jiān) 控系統(tǒng) 監(jiān)控的模塊數(shù)可達(dá)100個(gè)，參數(shù)設(shè) 置好后（即使模塊電壓相 差較大，如1伏或更大）不需任何調(diào)整，均流精度高于2 .5 %,負(fù)載響應(yīng) 快（在幾百ms內(nèi)），無振蕩現(xiàn)象。5小結(jié)本文主要討論了 6種常用的均流技術(shù)。其中改變單元輸岀內(nèi)阻法（斜率法）和最大電流自動(dòng)均流法、強(qiáng)迫均 流法應(yīng)用較廣，并 且已有現(xiàn)成的集成控制芯片。同時(shí)，隨著微處 理技術(shù)的迅速發(fā)展，整個(gè)系統(tǒng)可采用 智能總線 結(jié)構(gòu)，從而實(shí) 現(xiàn)均流冗余控制、 故障檢測(cè)、故障信息顯 示等功能，就會(huì)使均流效果更理想、使用界面更友 好、 更方便。仝.-1.參考文獻(xiàn)1張占松，蔡宣三，開關(guān)電源原理 與設(shè)計(jì)，電子工 業(yè)岀版社2KEPCO, Power ManagersTMa n