張榮剛,吳桔生,吳瑞坤
(福建師范大學福清分校電子與信息工程系,福建 福清350300)
近年來,隨著IC集成度的提高,中央處理器的工作頻率也一直在提高,但工作電壓卻趨于更低,工作電流非但沒有減少,反而增加。此外由于節(jié)能節(jié)材的考慮,系統(tǒng)電源體積越來越小,這就要求對MOS管的散熱要給予更多的關注。
耗散功率的公式為Q=I2R,I指的是經過 MOS管的漏源級電流,R是指MOS管的溝道電阻,正常情況下MOS管的溝道電阻是一個基本不變的值。為了降低MOS管溝道電阻值,設計人員選擇將多只MOS管并聯使用。但是由于生產工藝等原因,每個MOS管的溝道電阻不會都一樣,對并聯的MOS管來說,它所通過的電流與MOS管的溝道電阻成反比,這樣對于溝道電阻較小的MOS管,其上流過的電流就較大,產生的熱量也較大。例如有2只MOS管并聯使用,漏源電壓為0.5 V,其中一只的溝道電阻為10 mΩ,另一只的溝道電阻為14 mΩ,那么可以知道2只MOS管的耗散功率分別為25 W和17.86 W,兩者耗散功率相差7.14 W,耗散功率大的那個MOS管就有可能燒毀,這種耗散功率差異對于大功率、大電流的情況尤為關鍵。因此當多個電源模塊并聯工作時,要解決的一個重要問題是負載電流的均分[1]。
均流的作用是使系統(tǒng)中的每個模塊都能有效地輸出功率,使系統(tǒng)中各模塊處于最佳工作狀態(tài),保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高效地工作。均流的性能一般用不平衡度指標來衡量,不平衡度越小,其均流效果越好。國家有關標準和工業(yè)和信息化部入網要求不平衡度不大于5%。按照《通信用半導體整流設備》標準中描述的不平衡度,不平衡度的計算方法如下[2-3]:
式中,n為并聯模塊個數;Ik為第k個模塊的輸出電流;max|Ii-Ij|為所有模塊輸出電流差的最大值。
斜率法是一種最簡單的均流方法,其實質是利用模塊電流反饋信號或直接輸出串聯電阻,改變模塊單元的輸出電阻,使外特性斜率趨于一致,達到均流。
斜率法降低了電源輸出的負載特性,即以犧牲電路的技術指標來實現均流,會造成功率的損耗[5]。
其實質是指定某一模塊為主模塊,工作在電壓源方式下,它直接連接到均流母線;其余為從模塊,工作在電流源方式下,它們從母線上獲取均流信號,由于存在統(tǒng)一的誤差ΔU,模塊的輸出電流與誤差電壓成正比,所以不管負載電流如何變化,各模塊的電流總是相等的,從而實現均流控制。
平均電流法是指各并聯模塊的電流放大器輸出端a通過一個電阻R接到公用均流母線上,如圖1所示。U’r是基準電壓Ur和均流控制電壓Uc的綜合,它與反饋電壓Uf進行比較放大后,產生誤差電壓Ue控制PWM及驅動器。均流母線電壓Ub與每個電源模塊的采樣電壓信號比較后通過調節(jié)放大器輸出一個誤差電壓,從而調節(jié)模塊單元的輸出電流,達到均流的目的。
平均電流法可以精確地實現均流,但具體應用時,當均流母線發(fā)生短路,接在母線上的任一個模塊不能工作時,母線電壓下降,將促使各模塊電壓下調,甚至達到其下限值,結果造成電源系統(tǒng)故障[6]。
圖1 平均電流法原理圖
最大電流法是在n個并聯的模塊中,輸出電流最大的模塊自動成為主模塊,其余的模塊為從模塊,其電壓誤差依次被整定,如圖2所示。最大電流法與平均電流法的區(qū)別僅在于將連接在電流放大器和均流總線之間的電阻用二極管(令a點接二極管陽極,b點接陰極)代替。這時均流母線上的電壓Ub反映的是各并聯模塊的Ui中的最大值。由于二極管的單向性,只有電流最大的模塊,二極管才導通,a點才能通過二極管與均流母線相連。如果某個模塊電流突然增大,成為n個模塊中電流最大的一個,于是Ur上升,該模塊自動成為主模塊,其它各模塊為從模塊。這時Ub=Umax,而各模塊的Ui與Ub比較,通過調整放大器調整基準電壓,自動實現均流。
圖2 最大電流法原理圖
所謂強迫均流,就是通過監(jiān)控模塊實現均流。實現方式主要有軟件控制和硬件控制兩種。本文使用微控制器實現動態(tài)均流控制,即采用軟件控制的方法實現[8]。
圖3 系統(tǒng)控制板部分電原理圖
本文所設計的具有均流功能的控制系統(tǒng)選用STC10F04XE作為系統(tǒng)的微控制器。STC10F04XE監(jiān)控3路電流,每一路都是由模數轉換集成電路和數模轉換集成電路構成的閉環(huán)系統(tǒng),微控制器對其進行統(tǒng)一的控制,控制板部分電路如圖3所示。工作原理如下:在均流功能控制板試驗箱上采用3只功率管Q1~Q3并聯使用,電流分別從電阻R1~R12取樣,取樣的電流值分為2路,一路作為3個三位半的LED數字顯示表頭驅動信號;另一路通過AD0804模數轉換集成電路IC2、IC3、IC4及外圍電路,把取樣電流的模擬量轉成微控制器可識別的數字信號,然后送到STC10F04XE,通過STC10F04XE的片選,把3路取樣的電流值分別暫存在STC10F04XE的存儲器內。STC10F04XE根據軟件運行的結果,通過控制MOS管的柵極電壓來改變漏源級的電流。
本系統(tǒng)所采用的算法不是以某一個設定值作為數據判斷的依據,而是將三路采樣值進行排隊,挑選出最大值和最小值,并對它們進行比較,如圖4。如果采樣的最大值和最小值的偏差在某一設定的標準值內,微控制器就不發(fā)出控制信號;若某一路的電流值偏差超過設定的標準值,不論是偏大或是偏小,微控制器通過判定、計算發(fā)出對這一路修正后的數字控制信號,先把它暫存在74HC373的8位鎖存器內,即IC6、IC8、IC10,然后傳送到DAC0832數模轉換集成電路IC7、IC9、IC11,把數字控制信號轉成電流模擬量,再通過LM324運算放大器IC1把電流模擬量轉成電壓模擬量,通過三極管Q7、Q8和Q11來控制該路MOS管的柵極電壓,通過閉環(huán)控制系統(tǒng),使得經過其漏源級的電流得到人為調整。STC10F04XE重復上述的掃描、比較步驟,隨時把修正后的數字控制信號送到鎖存器內,不斷更新鎖存器內的數字控制信號,直到它們的最大值和最小值差值小于設定值為止,STC10F04XE就不再對它們送出控制信號。由鎖存器通過數模轉換電路,通過晶體管使MOS管的柵極電壓穩(wěn)定下來,因此,電流值也得以穩(wěn)定。
圖4 程序主流程圖
本系統(tǒng)工作10 min后,在不同工作電流下測量得到數據如表1所示。采用強迫均流法控制的系統(tǒng),每個模塊的工作電流近似于系統(tǒng)平均負載電流,均流誤差小于5%。
系統(tǒng)還設有鍵盤和顯示電路,使用者通過顯示屏能清楚地觀察系統(tǒng)當前的工作電流,用按鍵實現快速修改參數,方便了用戶的使用。該系統(tǒng)使用微控制器作為主控器件,只需修改軟件,即可實現快速改變控制方案,而無需對硬件電路進行任何變動,因此采用該方案進行的均流控制能更好地滿足工程上的需要。
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