一種新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路

蘇少侃，彭 勃，王立偉，鄭 煒，常 濤，陳明陽

0 引 言

目前，航天器采用多路輸出DC-DC(Direct Current to Direct Current)變換器為各個部件提供二次電源，其目的是盡量減小DC-DC變換器在航天器中所占的體積和質量，進而提高航天器內部有效載荷所占的比重.多路輸出DC-DC變換器所用變壓器和電感繞組多采用漆包線并繞而成，研制過程中無法避免各個繞組之間、繞組和磁芯之間、磁芯和磁芯之間存在氣隙以及不對稱等問題，導致變壓器和電感各繞組之間不能完全耦合，存在一定的漏感[1-2].當多路輸出DC-DC變換器所連接的負載由于自身功率需要產生變化時，會發(fā)生各路輸出電壓調整不一致的情況，嚴重時可能導致輸出電壓偏離負載正常工作范圍[3].為了提高多路輸出DC-DC變換器的輸出穩(wěn)定度和負載調整率，一方面可以優(yōu)化變壓器的繞制方法，盡量減少漏感，但不可能徹底消除變壓器的漏感，無法根本上解決多路輸出穩(wěn)定度和調整率較差的問題.另一方面可以采用加權反饋控制方式或者在DC-DC變換器非主控輸出端增加線性穩(wěn)壓器電路.加權反饋控制方式通過將各路輸出電壓按照一定的比例一同反饋至控制器，通過反饋比例系數的合理設計，該方法一定程度上可以改善調整率，但由于各路輸出電壓的變化均對占空比的變化產生影響，當負載范圍變化較大時，調整率依然較差[4-5].在非主控輸出電壓支路增加線性穩(wěn)壓器進行二次調整，由于反饋信號只有該支路輸出電壓信號，該方法可以較大提高多路輸出DC-DC變換器非主控輸出的穩(wěn)定度和負載調整率.線性穩(wěn)壓器內部主要由雙極型晶體管和高精度電壓基準源組成.在航天器中應用時，需對線性穩(wěn)壓器進行抗輻照加固設計，以提高器件空間抗輻照能力.在實際應用中往往受抗輻照加固線性穩(wěn)壓器元器件種類以及功率等級的限制，可選擇的元器件規(guī)格種類較少.同時為保證星載電子產品可靠性，在星載電子線路設計時，流過線性穩(wěn)壓器的最大電流按照不大于0.6倍額定電流設計，施加在線性穩(wěn)壓器輸入端的最高電壓按照不大于0.7倍額定電壓設計，降額設計使得在高壓大電流場合無法選擇到適合的線性穩(wěn)壓器.

通過線性穩(wěn)壓器并聯(lián)的方法可以實現輸出電流擴容的目的.但由于線性穩(wěn)壓器單體之間內阻、導通壓降、電壓基準存在不完全一致的情況，實際并聯(lián)使用時需設計均流環(huán)路，確保流過每個線性穩(wěn)壓器的電流基本相同，避免其中某一個線性穩(wěn)壓器通過過大的電流而導致失效.目前常用的均流控制方法有下垂法、平均電流法、主從設置法等[6-7].

下垂法的原理是通過合理設計輸出電流采樣電阻的位置，實現輸出并聯(lián)均流，由于電路實現較為簡單，成本較低，在負載范圍變化不大的場合存在較多應用.在負載電流變化范圍較大時，下垂法的輸出電壓穩(wěn)定度和調整率較差，無法滿足航天器各部件對高穩(wěn)定度電壓的需求.本文在下垂并聯(lián)均流方法的基礎上，針對負載變化大時輸出電壓穩(wěn)定度不能滿足使用要求的問題，提出一種新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路，該電路采用電壓控制環(huán)和均流控制環(huán)進行雙環(huán)控制，在實現高均流度的基礎上，提高了輸出電壓穩(wěn)定度，滿足了航天器各部件對高穩(wěn)定度電源的需求.

1 下垂并聯(lián)均流電路

圖1為采用下垂并聯(lián)均流的電路圖，兩個線性穩(wěn)壓器共用一個電壓調整環(huán)路，每路線性穩(wěn)壓器的調整端(Adj)和地線端(GND)之間串聯(lián)電流采樣電阻RC，R1和R2對輸出電壓分壓，并反饋至Adj端.線性穩(wěn)壓器Adj端和GND端之間的電壓為一恒定值，等于內部基準電壓Vref.根據反饋原理，此時每路線性穩(wěn)壓器的輸出電壓Vo以及流過每路線性穩(wěn)壓器的電流io_n(n=1、2)與調整端電壓VAdj滿足下述關系：

(1)

式中RC為采樣電阻，根據式(1)分析，可以得出：

1)由于各模塊的輸出電流信號疊加到了各自的輸出閉環(huán)控制環(huán)路中，因此輸出電壓調整率受輸出電流的影響.

2)實際應用中兩路線性穩(wěn)壓器的基準電壓存在不一致，因此不能保證流過兩個線性穩(wěn)壓器的電流相同見圖3所示.

根據式(1)可以推導出式(2)給出的輸出電壓變化量ΔVo與輸出電流變化量Δio_n的關系.輸出電壓的變化受輸出電流變化和采樣電阻阻值影響，輸出電流變化范圍寬，輸出電壓變化范圍寬，調整率差.在相同輸出電流變化量下，采樣電阻阻值選取越大，輸出電壓變化量越大，負載調整率越差.

(2)

假定兩個線性穩(wěn)壓器的反饋電壓基準相同且均為1.25 V，圖2為輸出電壓變化量隨兩個模塊輸出電流之和io變化的關系圖.輸出電流之和io在0～1 A變化時，當采樣電阻RC取0.2 Ω，輸出電壓變化量接近1 V，輸出電壓變換較大.當RC取值0.5 Ω時，輸出電壓變化量增加至2.4 V.采樣電阻阻值選取越大，負載調整率越差.

在實際應用中，兩路線性穩(wěn)壓器之間的基準電壓Vref存在一定差異，將導致流過兩路線性穩(wěn)壓器的電流存在差異.根據式(1)可以推導出式(3)給出的流過兩個線性穩(wěn)壓器的電流差隨兩路線性穩(wěn)壓器基準電壓差變化的關系，采樣阻值取值越小，兩路電流差值越大.

(3)

為便于分析，對式(3)進行標幺化，以A1線性穩(wěn)壓器的基準電壓Vref_1為標準量Vref，設A2線性穩(wěn)壓器的基準電壓Vref_2與Vref_1的偏差量為γ，式(3)可簡化為

(4)

圖3為兩路線性穩(wěn)壓器基準電壓的偏差量對均流的影響.基準電壓偏差量10%，采樣電阻為0.2 Ω時，兩路電流相差0.625 A，采樣電阻為0.5時，兩路電流相差0.25 A，增加采樣電阻阻值，可減小兩路線性穩(wěn)壓器基準電壓偏差對均流的影響，但是輸出電壓調整率變差.

通過以上分析可以知道，下垂并聯(lián)均流控制采取在反饋回路中串聯(lián)電流采樣電阻的辦法，實現均流，但是在輸出電流變化范圍較大的場合，輸出電壓的穩(wěn)定度和調整率無法得到保證.

2 新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路

通過調整下垂并聯(lián)均流電路中兩個線性穩(wěn)壓器輸出電流采樣電阻的位置，即可實現輸出電壓環(huán)和輸出均流環(huán)的雙環(huán)控制.

圖4為雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路，將圖1下垂并聯(lián)均流電路中A1線性穩(wěn)壓器采樣電阻Rc的位置進行調整，Rc不包含在Adj端和GND端回路中，輸出電壓采樣直接反饋至A1的Adj端，反饋回路中不包含輸出電流狀態(tài)，通過A1線性穩(wěn)壓器實現對輸出電壓的調節(jié)，即電壓控制環(huán).在A2線性穩(wěn)壓器中增加了由R1B和R2B構成的獨立反饋支路，反饋電阻R2B連接至A1線性穩(wěn)壓器采樣電阻的一端，因此A2線性穩(wěn)壓器的反饋電路中包含了A1線性穩(wěn)壓器和A2線性穩(wěn)壓器的電流狀態(tài)，該反饋支路對A2的輸出進行調整，實現輸出均流調整，即均流環(huán)控制.

根據反饋原理，式(5)給出了圖4中A1線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與調整端電壓關系.由于調整端電壓等于基準電壓，為恒定值，因此輸出電壓值只取決于輸出電壓采樣電阻阻值的比例.

(5)

根據反饋原理，式(6)給出A2線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與調整端電壓、A1線性穩(wěn)壓器電流io_1、A2線性穩(wěn)壓器電流io_2的關系.公式中Vref為恒定值，因此A2線性穩(wěn)壓器的輸出電壓調整受io_2、io_1差值的影響.

(6)

由圖4可知，由于A1線性穩(wěn)壓器中控制電路的靜態(tài)電流i1_Q流過采樣電阻，因此式(6)中包含了A1線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流.

根據式(6)可以知道，由于A2的反饋回路中未能完全包含兩路線性穩(wěn)壓器的電流差，因此兩個線性穩(wěn)壓器的均流存在一定的偏差.為簡化分析新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路的均流效果，設R2B/(R1B+R2B)為系數α，io_2和io_1之和為總輸出電流io，根據式(6)可計算A2的輸出電流io_2，如式(7)所示.

(7)

為簡化分析，設流過A1的輸出電流與靜態(tài)電流i1_Q為β倍放大關系，假設輸出電壓為12 V，線性穩(wěn)壓器的基準電壓為1.25 V，取A1和A2的反饋網絡R1n和R2n(n=A、B)比值相同，根據式(7)可得圖5所示的兩路線性穩(wěn)壓器電流差與輸出電流之和io的關系.

圖5表明兩路線性穩(wěn)壓器沒有完全均流，隨兩路線性穩(wěn)壓器輸出電流之和io的增加，兩路模塊的輸出電流差值增加，最大差值為32 mA，差值較小，該電流差值不影響該并聯(lián)均流電路在并聯(lián)擴容場合中的使用.

由于在最大輸出電流工況下，線性穩(wěn)壓器熱耗較大，在該工況下不均流，使得兩路線性穩(wěn)壓器的熱耗存在一定差異.為保證兩路線性穩(wěn)壓器的最大熱耗一致，根據式(6)可知，通過調整R1B和R2B的比值，可以實現流過A1和A2模塊的電流在最大輸出電流工況下均流，圖7為調整R1B和R2B比值，使兩線性穩(wěn)壓器在1A負載完全均流時，流過兩路線性穩(wěn)壓器的電流隨輸出電流之和io變化的電流曲線，曲線表明在輸出電流之和io減小至iA點(25 mA)時，A1的電流下降為0.由于線性穩(wěn)壓器為單向導通特性，當輸出電流之和繼續(xù)減小時，輸出電流全部由A2提供，流過A1電流始終為0，輸出電壓幅值由A2的反饋支路決定.根據公式(6)可知，由于A2的反饋環(huán)路中包含A2和A1電流差值，隨著電流差的減小，將導致輸出電壓Vo升高.

圖7為根據式(6)得到兩個線性穩(wěn)壓器在輸出電流之和1 A均流時，輸出電壓變化量隨輸出電流之和io變化的曲線，在0～1 A負載范圍內變化，在采樣電阻取值0.2 Ω時，新型并聯(lián)均流電路的輸出電壓變化量最大為51 mV，在采樣電阻取值0.5 Ω時，輸出電壓變化量最大為141 mV.圖2和圖7對比表明在相同負載變換范圍內，雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路的負載調整率優(yōu)于下垂并聯(lián)均流電路.

上述對新型并聯(lián)均流電路的分析基于線性穩(wěn)壓器之間的基準電壓相等，但是在實際應用中線性穩(wěn)壓器之間的基準電壓存在個體差異，基準電壓的差異對均流效果及負載調整率產生一定影響.下面分析基準電壓偏差對新型并聯(lián)均流電路的均流效果及負載調整率影響.

根據式(7)可以得到兩路線性穩(wěn)壓器在最大輸出電流之和io_max均流時，A2反饋網絡比例與基準電壓關系.

(8)

結合式(7)和式(8)可以得到A1線性穩(wěn)壓器輸出電流減小至0時，流過兩個線性穩(wěn)壓器的電流之和io與基準電壓Vref關系.

(9)

基準電壓的偏差量為γ，則式(9)可整理為

(10)

根據式(10)可以得到圖8所示的在流過A1線性穩(wěn)壓器電流io_1減小為0時，對應的輸出電流之和io與基準電壓偏差量關系，此時輸出電流之和io即為流過兩路線性穩(wěn)壓器的最大電流差.曲線表明基準電壓偏差量在-10%至+10%范圍內時，流過兩路線性穩(wěn)壓器的最大電流差在24 mA～35 mA之間，因此兩路線性穩(wěn)壓器基準電壓的偏差對均流效果的影響較小.圖3和圖8對比表明，基準電壓偏差量對均流效果的影響小于下垂并聯(lián)均流電路.同時曲線表明采樣電阻Rc的取值對均流的影響較小.

根據前面分析，當A1的輸出電流減小至0時，輸出電流全部由A2提供，此時輸出電壓由A2的反饋網絡控制，隨負載減小，輸出電壓升高.結合式(7)和式(10)，可以得到基準電壓偏差量γ對輸出電壓變化量ΔVo的影響.

(11)

圖9為輸出電壓變化量與基準電壓偏差量的關系.曲線表明在雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路中基準電壓偏差量對輸出電壓在全負載范圍內的變化存在影響，在基準電壓偏差量在±10%范圍內，當采樣電阻Rc取0.2 Ω時，輸出電壓變化量小于67.5 mV，當采樣電阻Rc取0.5Ω時，輸出電壓變化量小于151 mV，因此基準電壓偏差量對輸出電壓變化的影響較小.

3 仿真及試驗分析

按照圖4，對雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路進行仿真，對上述理論分析進行仿真驗證.圖10為取A1和A2的反饋網絡R1n和R2n(n=A、B)比值相同時仿真波形，波形從上至下分別為輸出電流之和io、兩路線性穩(wěn)壓器電流之差io_1-io_2、輸出電壓Vo.仿真波形表明，在兩路線性穩(wěn)壓器的輸出電壓反饋系數相同時，可以保證全負載工況下，輸出電壓具有較好的負載調整率，但是隨負載增加，流過兩個模塊的電流差增加.仿真結果與理論分析一致.

圖11為調整A2模塊的反饋網絡R1B和R2B(n=A、B)比值，使兩線性穩(wěn)壓器在輸出電流之和為1 A時均流的仿真波形，波形從上至下分別為輸出電流之和io、兩路線性穩(wěn)壓器電流之差io_1-io_2、輸出電壓Vo.仿真波形表明保證在最大負載工況下兩路線性穩(wěn)壓器均流時，隨輸出電流之和io的減小，輸出電壓增加，仿真結果與理論分析一致.

在實驗室設計了兩路并聯(lián)12 V/1 A輸出均流電路進行驗證.每路模塊輸入為14 V，電流采樣電阻選取0.25 Ω電阻，低壓差模塊選用LM2941，并聯(lián)后最大輸出為1 A.圖12和圖13為通過調整反饋網絡使兩路線性穩(wěn)壓器在最大輸出電流下均流時，電流和電壓隨輸出電流之和變化情況.測試結果表明輸出電流之和在0～1 A變化時，輸出電壓變化量小于130 mV，輸出電壓調整率優(yōu)于下垂并聯(lián)均流電路，輸出電壓調整率滿足航天電子線路對供電電壓的需求.

圖14和圖15為通過調整反饋網絡使兩路線性穩(wěn)壓器在輸出電流20 mA工況下均流時，流過線性穩(wěn)壓器的電流、輸出電壓隨輸出電流之和變化情況.測試結果表明輸出電流之和在0～1 A范圍內變化時，輸出電壓變化量小于100 mV，流過兩路線性穩(wěn)壓器的電流差小于51 mA，輸出電壓調整率優(yōu)于下垂并聯(lián)均流電路，輸出電壓調整率滿足航天電子線路對供電電壓的需求.

4 結 論

針對下垂并流均流穩(wěn)壓電路在輸出電流變化范圍較大時，輸出電壓負載調整率較差的問題，提出了一種采用電壓環(huán)和均流環(huán)雙環(huán)控制的并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路，電路實現方式簡單，在保證線性穩(wěn)壓器具有較好均流的基礎上，實現了輸出負載調整率的有效提升.試驗結果表明新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路比下垂均流電路在負載調整率方面具有較大改善.

目前，該雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路已在航天器產品中得到應用，在保證均流的基礎上，有效改善了線性穩(wěn)壓器并聯(lián)均流電路的輸出電壓調整率，滿足了航天電子線路對輸出電壓高穩(wěn)定度的需求.