基于LTC4350并聯(lián)均流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳蘭君,張承芝

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.平原航空設(shè)備責(zé)任公司動(dòng)力運(yùn)行分廠,河南新鄉(xiāng)453019）

隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在大功率電源系統(tǒng)和分布式電源系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,單個(gè)的開(kāi)關(guān)電源模塊輸出功率有限,可靠性也低,電源系統(tǒng)為了提供更大更可靠的輸出功率,就需要采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的并聯(lián)應(yīng)用技術(shù).如何解決并聯(lián)模塊間的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配,防止一個(gè)或多個(gè)模塊運(yùn)行在自身的電流極限狀態(tài),是多個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)應(yīng)用所要解決的關(guān)鍵技術(shù).考慮到并聯(lián)運(yùn)行的各個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊特性并不一致,外特性好（電壓調(diào)整率小）的模塊可承擔(dān)更多的電流,甚至過(guò)載,從而使某些外特性較差的模塊運(yùn)行于輕載狀態(tài),甚至于空載運(yùn)行,必然加大了分擔(dān)電流多的模塊的熱應(yīng)力,從而降低了可靠性[1].為了提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性和長(zhǎng)期連續(xù)工作的可靠性,并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電源在模塊間通常需要采用均流措施[2-3].

本文以LTC4350做為研究對(duì)象,介紹均流控制原理,設(shè)計(jì)了相關(guān)外圍電路,并輔以仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.多個(gè)電源模塊的并聯(lián)使用可以保證整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性,以實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)和分布式電源系統(tǒng)應(yīng)用.

1 LTC4350均流控制原理

LTC4350外接一個(gè)低阻值感應(yīng)電阻Rsense,用來(lái)檢測(cè)單個(gè)電源模塊輸出電流的大小,以Rsense兩端電壓的高低形式反應(yīng)出來(lái).這個(gè)動(dòng)態(tài)電壓信號(hào)輸入到LTC4350內(nèi)部的運(yùn)算放大器Isense功能模塊進(jìn)行放大輸出,該輸出與模塊電源的輸出電流成正比例,并通過(guò)外接增益電阻Rgain,產(chǎn)生取樣比較電壓信號(hào).該電壓信號(hào)接入內(nèi)部運(yùn)算誤差放大器E/A2功能塊的反向輸入端,而均流控制總線SB上的電壓信號(hào)接入E/A2正向輸入端,兩者進(jìn)行比較,如若有誤差,則E/A2的輸出信號(hào)送入內(nèi)部運(yùn)算放大器Iout功能塊放大輸出,經(jīng)過(guò)內(nèi)置功率放大管Q1放大輸出集電極電流,該電流也即是調(diào)節(jié)電流IADJ,如圖1所示,IADJ通過(guò)外接電阻Rout,形成控制電壓信號(hào),從LTC4350的Iout端輸出,送到模塊前級(jí)電源穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器LTC1629的控制輸入端,這樣,穩(wěn)壓控制器LTC1629的輸出電壓就跟隨控制信號(hào)而自動(dòng)調(diào)整,讓單個(gè)模塊的輸出電流恒等于均流總線SB的電流.當(dāng)整個(gè)電源系統(tǒng)中所有LTC4350的GAIN引腳電壓等于均流總線SB引腳的電壓時(shí),也就相當(dāng)于負(fù)載電流就被均勻地分配了,也就實(shí)現(xiàn)了LTC4350的均流控制目的.

由電阻R2和R3組成取樣電壓分配器,負(fù)責(zé)取樣負(fù)載電壓,并送入誤差電壓放大器E/A1,取樣電壓與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓比較,其誤差電壓經(jīng)過(guò)E/A1放大輸出.如果取樣電壓低于或等于基準(zhǔn)電壓,則E/A1的輸出通過(guò)串聯(lián)的二極管對(duì)均流總線SB進(jìn)行驅(qū)動(dòng),否則E/A1的輸出端被接地,與其相連的二極管D1反偏而斷開(kāi)與均流總線的連接.具有最高基準(zhǔn)電壓的LTC4350將驅(qū)動(dòng)SB引腳以及與SB引腳相連的20kΩ負(fù)載.串接在E/A1和SB之間的二極管D1實(shí)際上是一個(gè)在輸出級(jí)帶有二極管的低阻抗緩沖放大器,這樣的緩沖放大器至少能夠驅(qū)動(dòng)50個(gè)20 kΩ的負(fù)載（每個(gè)20 kΩ負(fù)載就代表一個(gè)LTC4350）.主LTC4350的E/A1驅(qū)動(dòng)均流總線達(dá)到適當(dāng)值,此值即為E/A2的參考值,進(jìn)而保持輸出電壓的可靠調(diào)節(jié).

圖1 LTC4350內(nèi)部工作原理

2 LTC4350應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)電路以同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器LTC1629作為模塊的電壓輸出,采用LTC4350作為模塊的均流控制和熱插拔控制電路,以控制LTC1629輸出到負(fù)載總線的電壓.

2.1 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在電源與負(fù)載之間外串接兩個(gè)功率FET（M1與M2）,如圖1所示,當(dāng)電源LTC1692輸出短路接地時(shí),通過(guò)檢測(cè)電阻上的電壓方向改變,一旦有大于30 mV的電壓并持續(xù)5 μs時(shí)間,外部功率FET的柵極電壓馬上被拉低,此時(shí),由M2負(fù)責(zé)斷開(kāi)模塊與負(fù)載的連接,一旦通過(guò)檢測(cè)電阻的反向壓降小于20 mV,柵極電壓就被允許上升直至開(kāi)啟功率FET.當(dāng)電源LTC1692輸出電壓過(guò)高時(shí),一旦OV引腳取樣電壓超過(guò)設(shè)定的1.22 V閾值,外部功率FET柵極電壓被拉低,由M1負(fù)責(zé)斷開(kāi)與負(fù)載的電路連接.這樣,只要一個(gè)電源模塊出現(xiàn)故障,就讓保護(hù)電路啟動(dòng),斷開(kāi)本故障電源模塊與負(fù)載總線的連接,并由故障狀態(tài)告警線STATUS對(duì)外發(fā)出報(bào)警信號(hào).

2.2 熱插拔電路設(shè)計(jì)

整個(gè)電源系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間帶負(fù)載工作,難免單個(gè)電源模塊發(fā)生故障或失效,這就需要及時(shí)地移除故障模塊和更換備份模塊,否則將會(huì)給其他正常工作的電源模塊增加額外的負(fù)擔(dān),引起電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定,甚至癱瘓整個(gè)電源系統(tǒng).因此,除需要故障電源模塊本身能主動(dòng)斷開(kāi)負(fù)載連接外,還應(yīng)該能自動(dòng)發(fā)出告警信息,提示技術(shù)人員需要換上一個(gè)好的電源模塊.為了滿足連續(xù)供電的電源系統(tǒng)的需要,就要求電源模塊能帶電移除和插入,并且在插拔電源模塊時(shí),不能給整個(gè)電源系統(tǒng)帶來(lái)干擾,保證整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以實(shí)現(xiàn)熱插拔操作.

基于LTC4350的欠壓引腳（UV引腳）,來(lái)實(shí)現(xiàn)熱插拔功能.電源模塊插入時(shí),設(shè)定UV引腳的電壓值低于欠壓鎖定值1.24 V時(shí),使GATE端輸出為0 V,外部功率FET被關(guān)斷,此時(shí)本模塊與負(fù)載不連通.隨著Vcc引腳的電壓因電容（實(shí)驗(yàn)給定一個(gè)0.1 μF的電容就可以）充電而緩慢上升,一旦Vcc引腳電壓值高于欠壓鎖定值時(shí),UV引腳的電壓也隨之升高,當(dāng)該電壓高于1.24 V時(shí),外接功率FET的柵極通過(guò)10 μA的電流源充電,使GATE引腳的電壓以斜率為10 μA/CG速率開(kāi)始緩慢上升,實(shí)驗(yàn)給定CG的容量也為0.1 μF,如圖2所示.這種緩慢的充電過(guò)程將使本模塊電源輸出能夠平穩(wěn)地接入負(fù)載,并給負(fù)載供電,可以有效地防止大的浪涌電流進(jìn)入電源系統(tǒng).當(dāng)某個(gè)電源模塊出現(xiàn)故障或拔出時(shí),UV引腳電壓將低于1.22 V,LTC4350對(duì)外接功率FET的柵極進(jìn)行快速放電,UV引腳的電壓將跌落至1.22 V以下時(shí),外接FET關(guān)斷,使該故障模塊自動(dòng)與負(fù)載隔離開(kāi)來(lái),這樣就能實(shí)現(xiàn)LTC4350的熱插拔功能.

圖2 接通電源時(shí)GATE引腳電壓變化情況

3 電路仿真與實(shí)現(xiàn)

總的設(shè)計(jì)思想如圖3所示,每個(gè)電源模塊都有自己的開(kāi)關(guān)電源集成電路LTC1629以及均流集成電路LTC4350.讓LTC1629集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換,提供模塊需要的負(fù)載電壓.讓LTC4350集成電路對(duì)來(lái)自LTC1629的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)本模塊的均流控制,同時(shí)也負(fù)責(zé)完成本模塊的熱插拔控制,以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的主要功能要求.

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的均流控制特性,搭建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?使用4個(gè)電源模塊做并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn),采用Spice III仿真軟件,用純電阻做假負(fù)載,實(shí)際測(cè)得單個(gè)模塊的輸出電流In（n=1,2,3,4）如表1所示.

圖3 多模塊并聯(lián)工作原理

表1 4個(gè)20A/1.5V電源模塊并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來(lái)看,設(shè)計(jì)均流電路在輕載和重載的情況下,均流精度都能很好地控制在容忍的誤差范圍之內(nèi),均流精度比較高.

具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示,并聯(lián)工作的模塊間共享均流總線、負(fù)載總線、電源輸入總線Vin以及模塊故障狀態(tài)告警總線STATUS.LTC4350的輸出控制Iout信號(hào)直接加載到電源模塊LTC1629的Vos+控制端,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié).電阻ROUT和RSET用來(lái)設(shè)置電壓調(diào)整范圍.RSET上的電壓以ROUT/RSET的比值轉(zhuǎn)換成ROUT上的電壓,用公式（1）表示調(diào)整電壓的范圍大小,RSET正常取值范圍在50 Ω到100 Ω之內(nèi)均可.

Rgain取值依靠感應(yīng)電阻的最大電壓降和Vcc而定,因GAIN引腳最高可能電壓為1.5 V,因此用公式

（2）計(jì)算Rgain的阻值.

其中RSENSE為低阻值感應(yīng)電阻,本設(shè)計(jì)用值為0.001 Ω,IMAX為單個(gè)電源模塊提供的最大電流值,本設(shè)計(jì)為20 A.

本設(shè)計(jì)輸出負(fù)載電壓為1.5 V,讓LTC1629的INTVcc引腳直接驅(qū)動(dòng)LTC4350的Vcc引腳,即可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的.

圖4 實(shí)現(xiàn)均流和熱插拔功能的單個(gè)電源模塊

本設(shè)計(jì)只是展示了一單個(gè)電源模塊的電路示意圖,如圖4所示.多個(gè)此樣模塊并接在一起,讓其同時(shí)工作,就可為負(fù)載提供電力供應(yīng).各模塊間自動(dòng)均分負(fù)載電流,即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)并聯(lián)均流的電源系統(tǒng).單個(gè)或少數(shù)電源模塊的故障或失效,只要總的負(fù)載電流不超過(guò)系統(tǒng)供應(yīng),電源系統(tǒng)就不會(huì)崩潰,就可以保證電源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、連續(xù)的電力供應(yīng),讓整個(gè)電源系統(tǒng)具有很高的容錯(cuò)性.同時(shí),故障或失效電源模塊及時(shí)地發(fā)出告警信號(hào),送到狀態(tài)告警總線STATUS,能方便系統(tǒng)管理人員集中監(jiān)控.

4 結(jié)束語(yǔ)

LTC4350集均流和熱插拔功能于一體,既能實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源系統(tǒng)的負(fù)載均流控制,又能實(shí)現(xiàn)熱插拔操作,簡(jiǎn)化了電源模塊的設(shè)計(jì),很容易實(shí)現(xiàn)N+1冗余.實(shí)現(xiàn)的電源系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地識(shí)別故障或失效電源,同時(shí)GATE引腳輸出低電平,讓外接的FET開(kāi)路,自動(dòng)隔離故障電源模塊與負(fù)載的連接.在不關(guān)斷整個(gè)電源系統(tǒng),不停止電源系統(tǒng)電力供應(yīng)的情況下,安全地移走故障或失效的電源模塊,同時(shí)換上備份模塊,也不會(huì)因?yàn)椴灏坞娫茨K而給電源系統(tǒng)電力供應(yīng)帶來(lái)干擾,從而實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)電力供應(yīng)的連續(xù)性.做成的電源系統(tǒng)性能穩(wěn)定,安全可靠.LTC4350主要應(yīng)用在需要均流控制和熱插拔電源系統(tǒng)中,比如服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電系統(tǒng),通信和基站設(shè)備供電系統(tǒng)以及分布式電源系統(tǒng)中.

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