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關(guān)鍵詞：均流主從控制電源內(nèi)阻1引言在實際應(yīng)用中，往往由于一臺直流穩(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、生產(chǎn)的過程，勢必加大電源的成本、延長交貨時間、影響 工程進度。因此在實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，分別達到輸出電壓、輸出電

2、流、輸出功率擴展的目的。但是電源輸岀參數(shù)的擴展，僅僅通過簡單的串、并聯(lián)方式還不能完全保證整個擴展后的電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 的工作。不論電源模塊是擴壓還是擴流，均存在一個“均壓”、“均流”的問題，而解決方法的不同，對整個 電源擴展系統(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) 當負載變化時，每臺電源的輸出電壓變化相同。(2) 使每臺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)擴流中，應(yīng)用較為廣泛的辦法是自動均流技術(shù)。它通過 取樣、電子控制調(diào)節(jié)環(huán)路來保證整個系統(tǒng)的輸出電流按每個單元的輸出能力均攤，以達到既充分發(fā)揮每個單元 的輸岀能力，又保證每個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。整個系統(tǒng)應(yīng)有良好的均流瞬態(tài)響應(yīng)特性。整個并聯(lián)輸出擴流系統(tǒng)有一個公共控制電路。(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-平均電流型自動負載均流法最大電流自動均流法(自動主/從法、民主均流法)-強迫均流法 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當單元輸岀電流101增加時，101在電流檢測電阻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UF疊加后送至A 2反相輸入端，經(jīng)A2放大后輸岀Ur變負，利用這個Ur電壓控制單元輸岀電流，從而實 現(xiàn)均 流。由圖4 (b)可以 看岀：當 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)特點小電流時均流 效果較差，這點可從公式 I max=0.05l max看岀。大電流時均流 效果較好。對電壓源來 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來實現(xiàn)均流，降低了電源輸 出的負載特性，即以犧牲電路的

6、技術(shù) 指標來實現(xiàn)均流。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，這種方法很容易實現(xiàn)程控，從而實 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個單元，其中一個單元(主控單元)工作在電壓源(CV方式，其余n 1個單元工作于電流源(CC方式， 利用來自輸岀電流的 誤差電壓 U來實現(xiàn)均流控制。它實際 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) 主要特點一旦主控單元出 現(xiàn)故障則 整個系統(tǒng)崩潰。主/從單元間必 須要有通訊聯(lián)系，所以整個系統(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) 工作原理每一個單元加一個輸岀電流 檢測電路來檢測它的電流，產(chǎn)生的 反饋信號 調(diào)節(jié)每個單元的電流，從而達到各單元間輸出均流的目的。在這種情況下，每個單元間應(yīng)有公共總線。(2) 優(yōu)缺點這種控制方法均流 效果較好，但是每個單元 需附加一個電流控制電路，成為控制環(huán)路的一部分，需滿足環(huán)路的總體要求，否則會降低單元的技術(shù)指標及工作穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。由于每個單元都 需要一個控制電路，所以整個擴流系統(tǒng)連線較多。4. 4平均電流型自動負載均流法(自動均流)(1) 工作框圖見圖6,這種均流方式采用一個 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個單元采用n個 這種結(jié)構(gòu)。當輸岀達到均流時，電流 放大器輸岀電流I 1為零，這時101處于均流工作 狀態(tài)。反之，在電阻F上產(chǎn)生一個 Uab由這個電壓控制 A1,由A1再控制單元功率級輸出電流，最終達到均流。特點均流效果較好，易實現(xiàn)準確均流。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單元不工作時，母線電壓下降，將使每個單元輸岀電壓 下調(diào)，甚至達到下限，以致造成故障。并且當某一模塊的電流 上升至Io 口&時，電流 放大器輸岀電流也 達到極限值，同時 致使其它單元輸出電壓自動 下降?？梢詷?gòu)成冗余系統(tǒng)，均流模塊數(shù)理論上可以不限。缺點為了使系統(tǒng)在動態(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 果有一個模塊均流線 短路，則系統(tǒng)無法均流。單個模塊 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 流自動均流法。4. 5最大電流自動均流法(民主均流法，自動主/從控制法)(1) 工作原理將圖6所示均流框圖中的電阻 R用一個二極管代替，二極管正端接a,負端接b。這樣 只有當n個單元中輸岀電流最大的一個電流 放大器輸岀才能使二極管導(dǎo) 通，從而影響均流 母線電壓，進而達到 該單元均流調(diào)節(jié)作用。這 種方法一次只有一個單元參與調(diào)節(jié)工作。特點

10、在這種均流方式 下，參與調(diào)節(jié)的單元由n個單元中的最大輸岀電流單元決定，一 次只有這個最大輸岀電流 單元工作，這個最大電流單元是 隨機的，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。最大均流法的特點和平均電流法的特點相似。4. 6強迫均流法所謂強迫均流，就是通過監(jiān)控模塊實 現(xiàn)均流。實 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。軟件方式易于實現(xiàn)，均流精度高，但其瞬態(tài)響應(yīng) 比較差，調(diào)節(jié)時間長。硬件控制方式原理如圖7所示，取樣電壓Us與系統(tǒng)基準電壓Ur相 比較產(chǎn)生誤差電壓Ue ,該電壓送至每個模 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，實現(xiàn)均流。這樣，每個模塊都相當于電壓控制的電流源。這種均流方式 精度高，動態(tài)響應(yīng)好，可控制模塊多，可以很方便的組成冗余系統(tǒng)。對這種硬件強迫均流方法的一種改進就是所謂的PW強迫均流法。工作原理如圖 8所示。圖8#強迫均流依賴監(jiān)控模塊，如 果監(jiān)控模

12、塊失效，則無法均流，這一點使用時應(yīng) 注意。在強迫均流中，每個 監(jiān) 控系統(tǒng) 監(jiān)控的模塊數(shù)可達100個，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）和最大電流自動均流法、強迫均 流法應(yīng)用較廣，并 且已有現(xiàn)成的集成控制芯片。同時，隨著微處 理技術(shù)的迅速發(fā)展，整個系統(tǒng)可采用 智能總線 結(jié)構(gòu)，從而實 現(xiàn)均流冗余控制、 故障檢測、故障信息顯 示等功能，就會使均流效果更理想、使用界面更友 好、 更方便。仝.-1.參考文獻1張占松，蔡宣三，開關(guān)電源原理 與設(shè)計，電子工 業(yè)岀版社2KEPCO, Power ManagersTMa n