模塊化開關(guān)電源組合特性測(cè)試研究

吳琛浩，岳繼光，劉志剛

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院控制系，上海 201804）

開關(guān)電源產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、半導(dǎo)體制冷制熱、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域[1]。

采用模塊化電源可以組合成為分布式供電系統(tǒng)，成為N+M的冗余電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展和基于串聯(lián)方式的電壓擴(kuò)展[2]。

1 模塊化開關(guān)穩(wěn)壓電源的組合特性

在此，以AC/DC電源為例，研究單個(gè)開關(guān)電源的組合特性。

1.1 模塊化AC/DC穩(wěn)壓電源的主要特性

模塊化AC/DC穩(wěn)壓電源特性一般包括額定輸出電壓、紋波噪聲、輸入調(diào)整率、輸出調(diào)整率、穩(wěn)定度、過(guò)載保護(hù)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等諸多性能[3]。

額定輸出電壓輸出電壓準(zhǔn)確度指開關(guān)電源正常工作時(shí)的直流輸出電壓的波動(dòng)范圍，通常不超過(guò)額定輸出上下5%的范圍。

輸入調(diào)整率輸入調(diào)整率源自電源在帶動(dòng)負(fù)載時(shí)，電源的輸出電壓因輸入電壓波動(dòng)所引起的變化。在規(guī)定的輸入電壓變化范圍內(nèi)一般不大于5%。開關(guān)電源輸入調(diào)整率為

式中：ΔU為輸出電壓的變化量，ΔU=U-U1；U為空載電壓；U1為輸入電壓在規(guī)定要求范圍變化時(shí)的額定負(fù)載輸出電壓。

輸出調(diào)整率電源輸出側(cè)負(fù)載的變化會(huì)引起電源輸出的變化，開關(guān)電源的性能越好，由負(fù)載的變化所引起的輸出電壓變化越小，通常開關(guān)電源的輸出調(diào)整率指標(biāo)為3%～5%。其表達(dá)式為

式中：U1為負(fù)載變化時(shí)的輸出電壓。

1.2 模塊化AC/DC穩(wěn)壓電源的組合特性

模塊化的直流穩(wěn)壓電源能夠根據(jù)負(fù)載需要進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)組合，可以避免設(shè)計(jì)與制作多種標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓電源。

1）并聯(lián)組合常用于增大供電電流，理想情況下并聯(lián)后的特性為

額定供電電壓及總電流

輸入調(diào)整率

輸出調(diào)整率

2）串聯(lián)組合常用于提高供電電壓，理想情況下串聯(lián)后的特性為

供電電壓及總電流

輸入調(diào)整率

輸出調(diào)整率

3）混聯(lián)組合常用于滿足同時(shí)增大供電電流、提高供電電壓的電源系統(tǒng)需求。理想情況下混聯(lián)后的特性為

供電電壓及總電流

2 試驗(yàn)研究

2.1 樣本電路

樣本電路選擇基于VIPER22A驅(qū)動(dòng)芯片的220 V AC/5 V DC單端反激式開關(guān)電源電路[4]。該電路輸入電壓范圍寬，可以保證輸入電網(wǎng)電壓在較寬的范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，開關(guān)電源仍然可靠、穩(wěn)定工作。在有效負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓可保持在在4.8～5.2 V，紋波噪聲不大于150 mV[5]。其電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理Fig.1 Principle block diagram

2.2 占空比計(jì)算

所研究的反激式開關(guān)電源的交流電源輸入范圍為100～225 V，經(jīng)全橋整流、濾波后得到直流電壓，其最大值、最小值分別為286 V和147 V。最大占空比為[6]

式中：Vor為次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓，可選135 V；Vds為VIPER22A的通態(tài)電壓，選擇5 V。代入式（13），可得

2.3 試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)儀器

測(cè)試在常溫22℃下進(jìn)行，試驗(yàn)原理如圖2所示[7]。使用以下儀器：Tektronix TDS 1002雙通道示波器，觀察開關(guān)電源的紋波大??；FLUKE DUAI 5位半萬(wàn)用表，測(cè)量開關(guān)電源在不同情況下的輸出電壓；91L16交流自耦調(diào)壓器，改變開關(guān)電源的交流輸入電壓以測(cè)試輸入調(diào)整率。

圖2 試驗(yàn)原理Fig.2 Block diagram of experiment

2.4 單塊開關(guān)電源特性試驗(yàn)

2.4.1 穩(wěn)壓輸出

測(cè)試時(shí)，AC/DC開關(guān)電源電路交流輸入端接220 V市電，分別測(cè)試編號(hào)1～3的AC/DC開關(guān)電源電路的空載輸出，如表1所示。

表1 電源穩(wěn)壓輸出及紋波Tab.1 Power supply regulator output and ripple

單塊開關(guān)電源的電源準(zhǔn)確度均＞99%，紋波系數(shù)不高于1%，該開關(guān)電源輸出精度符合要求，可以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)測(cè)試。

2.4.2 輸入調(diào)整率

測(cè)試時(shí)，AC/DC開關(guān)電源電路交流輸入端接交流自耦調(diào)壓器，輸出端接5 Ω額定負(fù)載，多次調(diào)節(jié)交流自耦調(diào)壓器的輸出，分別測(cè)試編號(hào)1～3的AC/DC開關(guān)電源電路的輸出電壓，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 輸入調(diào)整率λinTab.2 Input adjustment rate

2.4.3 輸出調(diào)整率

測(cè)試時(shí)，AC/DC開關(guān)電源電路交流輸入端接220 V市電，通過(guò)改變開關(guān)電源電路輸出端的負(fù)載，分別測(cè)試編號(hào)1～3的AC/DC開關(guān)電源電路，在不同負(fù)載情況下的輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 電源輸出調(diào)整率λoutTab.3 Power output adjustment rate

2.5 串聯(lián)組合

多個(gè)開關(guān)電源單體經(jīng)串聯(lián)組合后，性能相對(duì)于開關(guān)電源單體而言，會(huì)產(chǎn)生一定的變化。在此，基于單塊開關(guān)電源的特性分析，測(cè)試不同數(shù)量開關(guān)電源單體的串聯(lián)組合特性，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

開關(guān)電源串聯(lián)總電壓與分壓情況（負(fù)載15 Ω）：

表4 電源串聯(lián)輸出調(diào)整率λout0Tab.4 Power series output adjustment rate

開關(guān)電源串聯(lián)后，測(cè)試結(jié)果顯示較之開關(guān)電源單體，具有更好的輸入調(diào)整，如表5所示。

表5 電源串聯(lián)輸入調(diào)整率λin0Tab.5 Power series input adjustment rate

開關(guān)電源串聯(lián)后，組合電源系統(tǒng)在獲得電壓擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，具有更優(yōu)的輸入調(diào)整率和輸出調(diào)整率。

2.6 并聯(lián)組合

開關(guān)電源并聯(lián)組合對(duì)開關(guān)電源單體的性能要求較高，要求開關(guān)電源單體間的輸出特性保持較高的一致性。

性能一致的電源單體通過(guò)并聯(lián)組合向負(fù)載供電時(shí)，在沒(méi)有主動(dòng)配流技術(shù)支撐的情況下，一旦有電源單體的帶負(fù)載能力達(dá)到極限而失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組合電源系統(tǒng)的失效?；诖?，分別測(cè)試了不同數(shù)量開關(guān)電源單體的并聯(lián)組合特性，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 電源并聯(lián)輸出調(diào)整率λout0Tab.6 Power parallel output adjustment rate

開關(guān)電源并聯(lián)總電流與分流情況（負(fù)載5 Ω）：

開關(guān)電源并聯(lián)后輸出調(diào)整率的改善效果更加明顯。相同負(fù)載情況下，當(dāng)3塊開關(guān)電源并聯(lián)時(shí)，3塊開關(guān)電源近似均勻分流，弱化了開關(guān)電源單體間性能的差異性。開關(guān)電源并聯(lián)后，輸入調(diào)整率基本保持不變，較之單塊開關(guān)電源具有更好的輸入調(diào)整率，如表7所示。

表7 電源并聯(lián)輸入調(diào)整率λin0Tab.7 Power supply parallel input adjustment rate

開關(guān)電源并聯(lián)后，電源系統(tǒng)具有更優(yōu)的輸入輸出特性；而且并聯(lián)的電源單體數(shù)量越多，分流越均勻。

2.7 混聯(lián)組合

混聯(lián)組合是指分布式電源系統(tǒng)同時(shí)存在串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。有必要研究此類更加復(fù)雜的組合電源的特性。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為2個(gè)開關(guān)電源單體并聯(lián)后再串聯(lián)第3個(gè)開關(guān)電源單體（即編號(hào)1和3并聯(lián)，再與編號(hào)2串聯(lián)）。測(cè)試結(jié)果如表8、表9所示。

混聯(lián)分壓、分流情況：

表8 1，2，3混聯(lián)的電源特性Tab.8 Hybrid power source

表9 混聯(lián)分壓、分流Tab.9 Mixed partial pressure，bypass flow

多個(gè)開關(guān)電源單體混聯(lián)后，相對(duì)于單一的串聯(lián)或并聯(lián)組合電源系統(tǒng)，具有更優(yōu)的分流、分壓特性。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)可用于野外作業(yè)、海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、航天器產(chǎn)品等一類特殊環(huán)境下分布式組合供電系統(tǒng)。以衛(wèi)星電源為例，其供電系統(tǒng)常采用模塊化電源組合供電，為衛(wèi)星的推進(jìn)、控制等系統(tǒng)提供所需能量，模塊化設(shè)計(jì)與按需組合還具有減少成本，縮短研制周期，維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著空間科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，微衛(wèi)星、偽衛(wèi)星、方塊衛(wèi)星以及細(xì)胞衛(wèi)星均需要可靠、安全、一致性高的電源模塊。研究模塊化電源的組合特性，可為模塊化電源設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化提供參考依據(jù)。

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