開關(guān)電源模塊的并聯(lián)均流和冗余設(shè)計

趙憲寧，高　杰，莊志義

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

開關(guān)電源模塊的并聯(lián)均流和冗余設(shè)計

趙憲寧，高杰，莊志義

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對大功率開關(guān)電源的需求，介紹了常用的并聯(lián)均流方法。通過對參數(shù)的詳細(xì)計算，設(shè)計了基于UCC29002的電源并聯(lián)均流電路。為滿足電源系統(tǒng)的可靠性要求，通過分析不同冗余方案，設(shè)計了基于MOS管的電源并聯(lián)系統(tǒng)冗余電路。通過2臺電源模塊并聯(lián)實(shí)驗，驗證了均流電路的有效性。

關(guān)鍵詞開關(guān)電源；并聯(lián)；均流；冗余

Design of Parallel Current-sharing and Redundancy of Switching Power Supply Module

ZHAO Xian-ning,GAO Jie,ZHUANG Zhi-yi

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAiming at the requirement of high-power switching power supply,this paper introduces some common current sharing methods.The power supply parallel current-sharing based on UCC29002 is designed by detailed calculation of parameters.To satisfy the reliability requirements of power supply system,different redundancy schemes are analyzed and a redundancy circuit of parallel current-sharing system based on MOSFET is designed.The current-sharing circuit is validated by parallel experiment of two power modules.

Key wordsswitching power supply;parallel;current-sharing;redundancy

0引言

隨著科技的進(jìn)步，新型電子裝置的電源功率需求越來越大，單個電源已經(jīng)不能滿足功率要求[1,2]。受半導(dǎo)體功率器件(例如MOS管)以及磁性器件等自身性能影響，單臺電源模塊的輸出功率往往不能做到很大[3,4]，使用幾個開關(guān)電源模塊進(jìn)行并聯(lián)的分布式電源系統(tǒng)因為具有高效率、大容量和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，所以在大功率設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。通過使用幾個電源模塊并聯(lián)后供電，不僅可滿足負(fù)載電流需求，而且還可構(gòu)成N+1的冗余結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。但因為各個電源模塊的特性有差異，若將各個模塊直接進(jìn)行并聯(lián)，會使其承受輸出電流不均衡，導(dǎo)致部分電源模塊輕載運(yùn)行，部分電源模塊重載甚至過載運(yùn)行，會大大降低系統(tǒng)的可靠性，縮短電源模塊的使用壽命，本文通過使用并聯(lián)均流技術(shù)實(shí)現(xiàn)平衡各個電源模塊的輸出電流，提高系統(tǒng)的可靠性。

1均流方法

為了獲得并聯(lián)電源模塊的理想特性，已經(jīng)提出一系列并聯(lián)均流設(shè)計方法[7-9]。目前，常用的開關(guān)電源并聯(lián)均流方法主要有：主從均流法、輸出阻抗法、最大電流自動均流法和平均電流自動均流法等，其中最大電流自動均流法具有動態(tài)響應(yīng)好、負(fù)載調(diào)整率高、均流精度高和易于實(shí)現(xiàn)冗余等優(yōu)點(diǎn)故應(yīng)用比較廣泛[10]。主要工作機(jī)理如下：多個并聯(lián)電源模塊當(dāng)中，輸出電流最大的電源模塊，會自動定義為主模塊，其余電源模塊則定義為從模塊，各個從模塊的電壓誤差通過芯片分別被調(diào)節(jié)，來校正負(fù)載電流分配中的不均衡度。通過最大電流自動均流法可以比較容易地實(shí)現(xiàn)冗余功能，這樣就不會因某個模塊發(fā)生故障進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行[11]。

2UCC29002外圍電路設(shè)計

UCC29002是建立在最大電流自動均流法基礎(chǔ)上的8引腳均流控制器，它為多個電源或者DC/DC電源模塊并聯(lián)均流提供需要的全部功能。UCC29002內(nèi)部原理如圖1所示。

圖1　UCC29002內(nèi)部原理

電流控制環(huán)由高精度電流檢測放大器構(gòu)成，輸出電流最大的電源模塊定義為主模塊，產(chǎn)生的電流調(diào)整信號連接到外部電壓控制環(huán)。芯片的電流檢測放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可由用戶自行定義，在輸出電流不同的電源模塊并聯(lián)使用中只需修改放大器放大倍數(shù)而無需修改電流檢測電路。特點(diǎn)是均流精度非常高，整個負(fù)載范圍內(nèi)均流誤差<1%；既可高端也可低端檢測電流；電流檢測放大器具有超低的失調(diào)電壓；內(nèi)置單線負(fù)載均流總線；整個量程范圍內(nèi)均可調(diào)節(jié)；均流總線對地短路或接電源正極時具有短路保護(hù)功能。

2.1　電路設(shè)計要求

UCC29002典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2　UCC29002典型應(yīng)用電路

為了在不同電源模塊之間能夠準(zhǔn)確地均流，所使用的電源模塊必須具有遠(yuǎn)端補(bǔ)償端子(Remote sense)，且必須知道一些具體參數(shù)，這些參數(shù)主要有：額定輸出電壓VOUT，單個模塊最大輸出電流IOUT(max)，每個模塊最大輸出電壓調(diào)整范圍ΔVADJ(max)，電源模塊輸出V+和遠(yuǎn)端補(bǔ)償端子S+之間內(nèi)阻RSENSE。所選擇電源模塊的具體參數(shù)如下：VOUT=12 V，IOUT(max)=30 A，ΔVADJ(max)=1 V，RSENSE=100 Ω。

2.2　設(shè)計步驟

2.2.1電流采樣電阻RSHUNT

電流采樣電阻RSHUNT上的壓降必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模塊最大輸出電壓調(diào)整范圍ΔVADJ(max)：

IOUT(max)×RSHUNT<<ΔVADJ(max)。

(1)

式中，IOUT(max)=30 A，ΔVADJ(max)=1 V，經(jīng)過計算RSHUNT選取為1 mΩ。

2.2.2電流檢測放大器放大倍數(shù)ACSA

電源模塊輸出滿載時，電流采樣放大器輸出電壓VCSO(max)必須滿足：

VCSO(max)

(2)

再確定放大倍數(shù)為：

ACSA=VCSO(max)/(IOUT(max)×RSHUNT)。

(3)

經(jīng)過計算，確定ACSA=RCSA1/RCSA2=150 kΩ/1 kΩ。

2.2.3調(diào)整電阻RADJ

在UCC29002內(nèi)部，調(diào)整三極管集電極電平必須比發(fā)射極電平至少高1 V，來保證調(diào)整三極管工作在放大區(qū)，則RADJ需要滿足：

(4)

但RADJ過大則會使得電源模塊電壓反饋回路不能正常工作，經(jīng)過計算本文選取為180 Ω。

2.2.4誤差放大器補(bǔ)償參數(shù)確定

確定補(bǔ)償電容CEAO的公式為：

(5)

式中，選擇誤差放大器的跨導(dǎo)gM=14 ms；fCO一般選取電源模塊開關(guān)頻率的1/10，這里選擇為33 kHz；ACSA=100；AADJ=RADJUST/500；APWR(fCO)為fCO頻率下電壓環(huán)的增益，通過在模塊電源和SENSE端子間接一個測量信號即可測得。經(jīng)過計算最終選取CEAO為47 μF。

3冗余方案設(shè)計

傳統(tǒng)冗余電源方案是通過將2個或多個電源分別連接至二極管陽極，以“或門”的方式并聯(lián)輸出連接到總線上。傳統(tǒng)方案電路簡單，但是有其固有缺點(diǎn)：功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重、需考慮散熱措施和占用體積大[12]。新冗余方案使用大功率MOSFET來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的二極管，因為MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻可小到幾個mΩ，故可大大降低損耗，不僅可以提高效率，由于無需散熱器或者散熱器比較小，故可大大節(jié)省電路板面積，也減少了設(shè)備的散熱源。例如本設(shè)計中單個DC/DC變換器輸出電流為30 A，如果使用最小壓降的肖特基二極管也有0.45 V，則功率損耗為13.5 W，但是如果換成3.7 mΩ的MOSFET，則功率損耗下降到3.33 W。冗余方案中選擇IR公司的MOSFET管IRFB4110，導(dǎo)通內(nèi)阻RDS(on)典型值為3.7 mΩ。或門驅(qū)動器選擇TI公司的TPS2412，基于TPS2412控制器的冗余電源系統(tǒng)如圖3所示，TPS2412控制器和MOSFET管起到了傳統(tǒng)冗余電路中二極管的作用。

圖3　基于TPS2412控制器的冗余電源系統(tǒng)

4實(shí)驗結(jié)果分析

使用2臺額定輸出12 V的電源模塊并聯(lián)做均流實(shí)驗。2個電源模塊并聯(lián)均流后均流精度曲線圖如圖4所示。

圖4　2個電源模塊并聯(lián)均流后均流精度曲線

均流實(shí)驗的結(jié)果表明，采取基于UCC29002的并聯(lián)均流措施后，2個電源模塊能夠均勻地分配負(fù)載電流，每個電源模塊的均流精度能夠控制在5%以內(nèi)，滿足大多數(shù)電子設(shè)備應(yīng)用需求。

5結(jié)束語

本文摒棄了傳統(tǒng)的通過二極管進(jìn)行冗余電源的設(shè)計，改為使用MOS管來實(shí)現(xiàn)冗余控制，大大降低了冗余功耗。利用電源模塊的遠(yuǎn)端補(bǔ)償sense端子，設(shè)計了并聯(lián)均流電路，均流效果良好。并聯(lián)的各臺電源模塊地位平等，都有可能成為主電源，經(jīng)過合理設(shè)計，可擴(kuò)充容量，實(shí)現(xiàn)均流和冗余功能。這些也可由用戶自己完成，使用十分靈活方便。

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趙憲寧男，(1983—)，碩士工程師。主要研究方向：開關(guān)電源設(shè)計。

高杰男，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：信號處理、通信對抗。

作者簡介

收稿日期：2015-05-14

中圖分類號TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0062-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.17

引用格式：趙憲寧,高杰,莊志義.開關(guān)電源模塊的并聯(lián)均流和冗余設(shè)計[J].無線電工程,2015,45(8):62-64.