一種高效率開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計

張 煜，介小文，成高飛，馮 攀

(陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

電源是實現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備[1]。電源產(chǎn)業(yè)為了適應(yīng)時代的發(fā)展必須不斷提升技術(shù)，需要做到更加安全、可靠、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、環(huán)保等。開關(guān)電源作為一種新型電源供應(yīng)器又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。開關(guān)電源較之于傳統(tǒng)的線性電源，產(chǎn)生廢熱少，更節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、尺寸小、重量輕，優(yōu)勢明顯。開關(guān)電源的一項重要用途是為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)服務(wù)。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展也有力地推動了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制開關(guān)晶體管關(guān)斷和開通的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓。

1 開關(guān)電源技術(shù)

開關(guān)電源的具體工作原理如圖1所示，直流電壓Ui經(jīng)過受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)S加至輸出端[2]。通過改變開關(guān)S的通斷時間，就可以獲得矩形脈沖電壓，再經(jīng)濾波電路進行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。

圖1 開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源直流輸出電壓Uo與輸出電壓Ui之間有如下關(guān)系：Uo=Ui·D(D為脈沖占空比)。若開關(guān)周期T一定，改變開關(guān)S的導通時間Ton，來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的方式叫做脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于PWM式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，所以PWM式的開關(guān)電源應(yīng)用較多。

2 設(shè)計方案的選擇

開關(guān)電源并聯(lián)供電[3]是現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢，相比起來，單個電源模塊供電效率更高，動態(tài)性能更好，負載調(diào)整率更高，輸出功率可擴展的更大，并易于維護。為了提高開關(guān)變換器模塊并聯(lián)供電電源系統(tǒng)的可靠性，要求各模塊能平均輸出電流，用來保證各模塊之間的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配，這就要求系統(tǒng)各個模塊具有輸出自動均流功能。

2.1 開關(guān)電源控制模塊的選擇

開關(guān)電源控制芯片是對輸出的電壓采樣，來調(diào)節(jié)PWM的輸出，從而穩(wěn)定輸出電壓[4-5]。通常情況下實際電路中應(yīng)用的較多的芯片是UC3843和TL494等集成芯片。

方案一：使用UC3843電流反饋型開關(guān)芯片，啟動電壓為16 V，電流型單端輸出式PWM，最大占空比為50%，具有過壓保護和欠壓鎖定功能。缺點是在大電流工作時，將明顯降低轉(zhuǎn)換效率。

方案二：使用TL494電壓反饋型開關(guān)芯片，具有雙差分放大器反饋控制端口，PWM的死區(qū)時間可直接通過分壓調(diào)節(jié)控制。TL494工作頻率可達到300 kHz，工作電壓最高可到40 V，內(nèi)有5 V的電壓基準，死區(qū)時間可調(diào)整，被廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源。

基于開關(guān)電源對高效率的要求及兩款芯片的優(yōu)缺點的綜合考慮，本設(shè)計選用TL494為開關(guān)電源的控制芯片。

2.2 DC-DC模塊的選擇

變換器的優(yōu)缺點：本設(shè)計選用降壓型DC-DC變換器，根據(jù)變換器輸入與輸出是否電氣隔離(即是否存在開關(guān)變壓器隔離)，分成BUCK和反激變換器兩類。采用BUCK變換器，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效率高，但安全性能較差；采用反激變換器，其可靠性高，但其成本高，效率差。

選擇的原因：由于電壓已經(jīng)經(jīng)過一次工頻變壓器變換，進行了與外圍電網(wǎng)電壓的隔離，所以不必要應(yīng)用再次隔離變壓。非隔離型驅(qū)動效率較高，其中BUCK電路可以實現(xiàn)降壓輸出，原理簡單易懂，且電路連接簡單方便，適合小型實驗應(yīng)用。所以本設(shè)計選用非隔離式DC-DC BUCK變換器作為本設(shè)計的主電路。

2.3 均流模塊的選擇

平均電流自動均流法：利用INA128的經(jīng)典電路搭建均流電路。INA128是高精度、低功耗的通用儀表放大器，用INA128搭建的均流電路可以實現(xiàn)兩路BUCK電路的并聯(lián)。其外圍電路比較簡單，且成本低。即使出現(xiàn)均流母線發(fā)生短路現(xiàn)象，或是接在母線上的任何一個模塊出現(xiàn)故障，母線電壓會下降，并將促使各個模塊的電壓下調(diào)，甚至到達其下限但仍然可以精確地實現(xiàn)均流，并且解決出現(xiàn)的問題很方便。

最大電流自動均流法：最大電流自動均流法只有主模塊參與調(diào)節(jié)工作，且主模塊是隨機的。由于二極管存在正向壓降，導致主模塊的均流會有誤差。另外，因為主從模塊不斷交替，各模塊輸出電流存在低頻振蕩。

綜上，考慮到最大電流自動均流法無法避免的誤差問題以及開關(guān)電源電路對高效率的要求，加之方案一的外圍電路比較簡單，且成本低，故本設(shè)計選用方案一平均電流自動均流法來實現(xiàn)均流。

3 并聯(lián)供電系統(tǒng)電路設(shè)計

本設(shè)計主要由開關(guān)電源控制模塊、DC-DC模塊和均流模塊3部分組成，系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 并聯(lián)供電系統(tǒng)框圖

3.1 開關(guān)電源控制模塊的原理

本設(shè)計采用TL494構(gòu)成BUCK開關(guān)變換器，通過偏差值獲得控制電壓，通過一個鋸齒波與控制電壓相比較產(chǎn)生控制開關(guān)通斷狀態(tài)的控制信號。鋸齒波低于偏差信號的電平，比較器輸出高電平來控制開關(guān)通斷；反饋電壓高于基準電壓，誤差放大器輸出電壓增大，晶體管的導通時間縮短，此時輸出電壓下降直到與基準電壓基本相等，從而維持輸出電壓穩(wěn)定?？刂颇K原理圖如圖3所示[6]。

圖3 TL494構(gòu)成的PWM控制電路

3.2 DC-DC模塊的原理

BUCK電路是一種降壓斬波器[7]，主電路如圖4所示，Vin為輸入電壓，S為PWM控制的開關(guān)管，D為續(xù)流二極管、C為輸出濾波電容。在開關(guān)管導通期間，二極管D截止，輸入電源通過電感L向負載提供電能，同時流過電感的電流線性增加，將電能轉(zhuǎn)換成磁能儲存在電感中，當電感電流增加到大于負載電流后，電容進入充電狀態(tài)[8-12]。在開關(guān)管關(guān)斷期間，二極管導通續(xù)流，流過電感的電流線性減小，在減小到負載電流后，電容進入放電狀態(tài)，向負載供電，以維持輸出電壓穩(wěn)壓。DC-DC BUCK降壓電路原理圖如圖5所示。

圖4 BUCK電路原理圖

圖5 DC-DC BUCK降壓電路

3.3 均流模塊的原理

自動均流控制電路：平均電流法自動均流控制電路原理如圖6所示，圖中Vr為基準電壓；Vi為電流放大器的輸出信號，與模塊的輸出電流成比例；Vb為均流母線上的電壓。Vi與Vb經(jīng)均流放大器比較放大后，產(chǎn)生均流控制電壓Vc；參考電壓Vr和Vc進行綜合后形成電壓誤差放大器的基準電壓Vr，Vr與Vf進行比較放大后，產(chǎn)生誤差放大電壓來控制PWM控制器。模塊單元的開關(guān)管按照PWM信號開通和關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)輸出電流，使得各模塊的輸出電流接近相等，達到均流的目的。

圖6 平均電流法自動均流控制電路原理圖

并聯(lián)均流的控制電路：由于本設(shè)計是兩路并聯(lián)輸出，所以重點講述兩個開關(guān)變換器模塊并聯(lián)(n=2)的情況，說明平均電流法均流控制的具體原理，其均流控制電路如圖7所示。

Vi1及Vi2分別為模塊1和模塊2的電流信號，經(jīng)過電阻R接到均流母線，當流入母線的電流為零時，可得

(Vi1-Vb)/R=0

(1)

(Vi2-Vb)/R=0

(2)

由式(1)和式(2)可得

(Vi1+Vi2)/2=Vb

(3)

即母線電壓Vb是Vi1和Vi2的平均值，也代表了模塊1、模塊2輸出平均電流值。Vi與Vb之差代表均流誤差，當Vi≠Vb時，通過均流控制電路對變換器的輸出電流進行調(diào)節(jié)，最終使得Vi=Vb，電阻R上的電壓為零，表明系統(tǒng)實現(xiàn)了均流。均流單個模塊電路原理如圖8所示。

圖7 兩個模塊的并聯(lián)均流的控制電路

圖8 均流單個模塊電路

4 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析

4.1 測試儀器及方法

所需測試儀器型號及精度見表1。保持輸入電壓為24 V±2 V，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器保持BUCK變換電路的輸出為8 V±0.4 V，通過萬用表顯示檢測點的電流和電壓，觀察均流的效果。

4.2 測試數(shù)據(jù)

電流I1∶I2=1∶1時的測試數(shù)據(jù)：模塊一測試電流數(shù)據(jù)見表2，模塊二測試電流數(shù)據(jù)見表3，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)見表4。

表1 測試儀器

表2 模塊一測試電流數(shù)據(jù)

表3 模塊二測試電流數(shù)據(jù)

表4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

誤差分析：兩模塊均流的相對誤差Δi為

效率分析：當該系統(tǒng)中兩路輸出的總電流為50.2 mA時，測得輸入電流為27.0 mA，由此可得系統(tǒng)的供電效率為

測試結(jié)果分析：從測試的數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)計能較好的實現(xiàn)均流，達到很好的穩(wěn)壓效果，電壓的調(diào)節(jié)響應(yīng)也快，效率也可以滿足要求。①系統(tǒng)的輸出電壓Uo=8.0 V；②在保持輸出電壓為8 V±0.4 V時，兩個模塊的輸出電流基本可以按照I1∶I2=1∶1模式自動分配電流;③系統(tǒng)的供電效率不低于60%。

5 結(jié)語

順應(yīng)時代對大功率電源的要求，需要提高開關(guān)電源的效率。開關(guān)電源模塊并聯(lián)是提高電源工作效率的一種方法，在系統(tǒng)的設(shè)計當中，平均電流自動控制均流法可以精確地實現(xiàn)均流。在設(shè)計過程中遇到了如電感的選取、均流電路的設(shè)計等一系列問題，經(jīng)過不斷改進，基本滿足了設(shè)計目標，實現(xiàn)了兩路開關(guān)電源并聯(lián)輸出，并且可以自動均流分配，效率也可以滿足要求。