何麗 王曉東 張恒輝
(中國電科第四十三研究所 安徽省合肥市 230088)
分布式電源系統(tǒng)是電源系統(tǒng)的發(fā)展方向之一,實(shí)現(xiàn)途徑是將多個(gè)中小功率電源模塊并聯(lián)共同承擔(dān)大功率的輸出??赏ㄟ^改變并聯(lián)電源模塊的數(shù)量來滿足負(fù)載的大功率要求。并可方便實(shí)現(xiàn)電源的冗余,有利于提高電源系統(tǒng)可靠性。
電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí),由于各單元電源模塊輸出電壓不完全相同,輸出阻抗也不一致,若直接并聯(lián),會(huì)使其承受不均衡負(fù)載,導(dǎo)致電流應(yīng)力和熱應(yīng)力分配不均發(fā)生故障。須采取均流措施來均衡各個(gè)電源模塊的輸出電流,達(dá)到輸出電壓、輸出電流、輸出功率擴(kuò)展和保證應(yīng)力的均勻分布的目的?!熬鳌钡膯栴},解決方法的不同,對(duì)整個(gè)電源擴(kuò)展系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性都有很大的影響。
均流措施的主要任務(wù)是:
(1)當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí),每臺(tái)電源的輸出電壓保持穩(wěn)定,并具有良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性;
(2)使個(gè)電源模塊承受的輸出電流均攤;
(3)使均流與冗余技術(shù)結(jié)合。
DC/DC 電源并聯(lián)常見的均流方法有:輸出阻抗法、平均電流自動(dòng)均流法、熱應(yīng)力自動(dòng)均流法、主從設(shè)置法、自動(dòng)主從法(最大電流自動(dòng)均流法)等。
輸出阻抗法,是在小電流時(shí)電流分配特性差,隨著電流的增大,分配特性會(huì)有所改善,但仍不平衡,且以犧牲電壓調(diào)整率來個(gè)別調(diào)整每個(gè)模塊達(dá)到均流。此法可應(yīng)用在小功率、均流精度要求較高的場(chǎng)合,對(duì)于額定功率不同的并聯(lián)模塊,難以實(shí)現(xiàn)均流。
平均電流自動(dòng)均流發(fā)法是指均流環(huán)參考電壓為各模塊電流的平均值,其值反映在均流母線b 的電壓上,如圖1 所示。R 為均流電阻,均流母線電壓與每個(gè)電源模塊的采樣電壓信號(hào)比較后,通過調(diào)節(jié)放大器輸出1 個(gè)誤差電壓,從而調(diào)節(jié)單元模塊的輸出電流,達(dá)到均流目的。若R 上不為零時(shí),表明模塊間電流分配不均衡,需通過均流環(huán)調(diào)節(jié)來達(dá)到均流目的,若R 上的電壓為零,表明這時(shí)已實(shí)現(xiàn)均流。平均電流自動(dòng)均流發(fā)法可以精確地實(shí)現(xiàn)均流,但具體應(yīng)用時(shí),也存在著缺點(diǎn),例如當(dāng)均流母線發(fā)生短路或當(dāng)接在母線上的任一個(gè)模塊不能工作時(shí),母線電壓下降,促使各模塊電壓下調(diào),甚至下調(diào)至其下限值,造成電源系統(tǒng)故障。
圖1:平均電流自動(dòng)均流法
圖2:均流IC 內(nèi)部原理圖
圖3:基于L6615D 的N 個(gè)電源模塊并聯(lián)應(yīng)用圖
熱應(yīng)力自動(dòng)均流法按每個(gè)模塊的電流和溫度(即熱應(yīng)力)自動(dòng)均流,每個(gè)模塊的電流和溫度決定了模塊間的均流的程度。電源系統(tǒng)中各模塊溫度存在差異,原因是各并聯(lián)模塊在電源中的位置不同,對(duì)流情況和散熱等外界條件各不相同,在設(shè)計(jì)電源時(shí),應(yīng)用此法的好處是可以不必考慮各模塊的布置情況,但此法因溫度變化和電流之間的關(guān)系不能精確對(duì)應(yīng),故應(yīng)用較少。
指定主從法不存在均流環(huán),而是在并聯(lián)的多個(gè)變換器中,指定其中一個(gè)為主模塊,其余為從模塊。從模塊的電壓誤差信號(hào)均為主模塊的電壓誤差信號(hào),利用電流型控制實(shí)現(xiàn)均流。指定主從法均流精度很高,存在的最大問題是主模塊的不可替代性,其出現(xiàn)故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)將完全癱瘓,不適用于冗余并聯(lián)系統(tǒng)。此外,系統(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓控制下,任何非負(fù)載電流引起的誤差電壓的變化都會(huì)引起各并聯(lián)電源模塊電流再次分配,從而降低均流精度。電壓環(huán)的帶寬大,易受外界噪聲干擾。
自動(dòng)主從均流法又稱為最大電流自動(dòng)均流法(相對(duì)于指定主從法而言),是自動(dòng)設(shè)定主電源模塊和從電源模塊的方法,在N 個(gè)并聯(lián)的DC/DC 電源模塊中,輸出電流最大的電源模塊被自動(dòng)確定為主模塊,其余的電源模塊則為從模塊。
主模塊確定與其輸出電流成比例的均流總線電壓,而從模塊以均流總線電壓為基準(zhǔn),電壓誤差依次被整定,通過增加自身的電流輸出以校正負(fù)載電流分配的不均衡,達(dá)到每個(gè)模塊負(fù)載均衡的目的。采用這種方法可以較好地實(shí)現(xiàn)冗余,不會(huì)因某一個(gè)模塊的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。自動(dòng)主從法以其均流精度高,負(fù)載調(diào)整率高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,可實(shí)現(xiàn)冗余等技術(shù)特點(diǎn),越來越受到廣泛應(yīng)用。
以下主要介紹采用自動(dòng)主從均流法設(shè)計(jì)并聯(lián)電源系統(tǒng)的方法,此法基于均流控制器L6615D。其為一款用于高、低電位端負(fù)載電流檢測(cè)的均流控制集成電路芯片。該芯片是一款工作于主/從均流控制方式的集成電路,具有完全滿足遠(yuǎn)程輸出電壓檢測(cè)、失調(diào)電流小、工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部有多個(gè)精密運(yùn)算放大器組成,如輸出電流檢測(cè)放大器、誤差放大器、調(diào)整放大器、均流驅(qū)動(dòng)放大器等,如圖2。隨著電源的發(fā)展,均流控制芯片也有較大的改進(jìn)。L6615D是ST 公司推出的負(fù)載分配控制器。
L6615D 的功能是驅(qū)動(dòng)共享到總線一個(gè)與主輸出電流成比例的電壓,該主輸出電流是由并聯(lián)電源提供的輸出電流中最高的,對(duì)應(yīng)的電源模塊成為主模塊。共享總線動(dòng)態(tài)與電源輸出電壓無關(guān),僅受設(shè)備電源電壓(Vcc)的鉗制。其他并聯(lián)電源模塊,成為從模塊,其輸出電壓由ADJ 引腳進(jìn)行調(diào)整,使他們可以支持負(fù)載電流。從模塊作為電流控制的電流源工作。
此外,并聯(lián)供應(yīng)體系結(jié)構(gòu)允許實(shí)現(xiàn)冗余;可以容忍其中一個(gè)模塊的故障,直到剩余電源的能力足以提供所需的負(fù)載電流。
IC 控制器L6615D 通過添加外部組件,實(shí)現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)中并行、獨(dú)立的電源模塊的負(fù)載共享。電流共享是通過所有平行模塊的普通單線連接(共享總線)來實(shí)現(xiàn)的。
L6615D 均流控制器,SO8 表貼封裝,適用于PCB 表貼工藝,共8 個(gè)引腳,引腳功能介紹如下(結(jié)合圖2):
CS-:電流感應(yīng)放大器的輸入;它通過一個(gè)電阻RG2連接感應(yīng)電阻的負(fù)端。
CS+:電流感知放大器的輸入;它通過一個(gè)電阻RG1連接感應(yīng)電阻的正極:它的值定義了ICGA和VSENSE之間的跨導(dǎo)增益(RG1與RG2值相同)。
ADJ:調(diào)節(jié)放大器輸出;它連接電源模塊的輸出正感應(yīng)端,同時(shí)通過電阻RADJ連接電源系統(tǒng)的負(fù)載(+OUT)。調(diào)整放大器輸出的誤差信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)緩沖三極管。誤差電壓用來調(diào)整模塊電源的輸出電壓,以平衡所有并聯(lián)模塊電源的負(fù)載電流,這是通過控制器內(nèi)置的調(diào)整放大器和用于調(diào)節(jié)的緩沖三極管和下拉電阻來實(shí)現(xiàn)的。通過誤差信號(hào)IADJ改變RADJ上的電壓來調(diào)節(jié)模塊電源的輸出電壓, 從而實(shí)現(xiàn)模塊電源間的均流。
COM:電流共享誤差放大器的輸出和ADJ 放大器的輸入。有典型用法是位于該引腳和接地之間加一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部地最大電壓被鉗位在1.5V (典型值)。
SН:均流總線引腳。在從模塊工作時(shí)時(shí),該引腳作為共享總線的正輸入。在主模塊工作時(shí),它驅(qū)動(dòng)共享總線到一個(gè)與負(fù)載電流成比例的電壓。共享總線連接所有并行模塊的SН 引腳。該引腳和GND 之間的電容可以有效地降低共享總線上的噪聲。
CGA:電流增益調(diào)整器;電流感應(yīng)放大器輸出。連接在該引腳和GND 之間的電阻定義了共享總線上的最大電壓并設(shè)置了電流共享系統(tǒng)的增益。
VCC:控制器的供電電壓。
GND:輸出地。
典型的應(yīng)用如圖3 所示,為輸出正高測(cè)感應(yīng)連接應(yīng)用圖,N 個(gè)并聯(lián)電源模塊(1 到N):每個(gè)模塊必包含4 個(gè)引腳:2 個(gè)是電源輸出(+OUT, OUT),2 個(gè)時(shí)遙感信號(hào)(+ OUT_S ,-OUT_S)。
在電源線上放置感測(cè)電阻RSENSE (用于感應(yīng)電流)和防倒灌冗余保護(hù)二極管V(為了避免任意一個(gè)模塊的故障導(dǎo)致負(fù)載短路)。
L6615D 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)主從電流共享架構(gòu):每個(gè)電源模塊與一個(gè)L6615D 相關(guān)聯(lián),所有這些均流控制器的均流總線相互連接,回線為公共地線。
為了配置負(fù)載均流控制器,圖3 中外部元件的參數(shù)根據(jù)公式來設(shè)置。4.2 和4.3 詳細(xì)介紹了電路中幾個(gè)關(guān)鍵部分工作原理。
串聯(lián)在輸出正的感應(yīng)電阻RSENSE用于產(chǎn)生電壓降,其與負(fù)載電流成比例,由L6615D 的電流感應(yīng)放大器測(cè)量,L6615D 的輸入引腳(引腳2 和3)通過兩個(gè)相同的電阻(RG1和RG2)與RSENSE 連接。圖2 中的電流感應(yīng)放大器CSA 由兩個(gè)部分組成,詳見圖4,一個(gè)負(fù)責(zé)高側(cè)感測(cè),另一個(gè)負(fù)責(zé)低側(cè)感測(cè)。內(nèi)部比較器根據(jù)CS+引腳處的電壓激活相應(yīng)的部分,如果該電壓高于典型值1.6V,則高側(cè)感應(yīng)部分將被激活(圖4a),否則低側(cè)感應(yīng)部分將會(huì)被激活(圖4b)。簡單起見,考慮RG1=RG2=RG。
由于感應(yīng)放大器輸入端存在電壓降IOUT*RSENSE,其輸出將被電流鏡像為:a)高側(cè)感應(yīng)時(shí)CS+引腳下沉電流(忽略輸入偏置電流,沒有電流流過CS-引腳);b)低側(cè)感應(yīng)時(shí)CS 引腳的源電流(忽略輸入偏置電流,沒有電流流過CS-引腳)。
在閉環(huán)條件下:
(ICS+在高側(cè),ICS-在低側(cè))然后被內(nèi)部鏡像,并發(fā)送到CGA引腳,導(dǎo)致RCGA 外部電阻下降,兩個(gè)內(nèi)部緩沖區(qū)傳輸VCGA信號(hào)至共享引腳上,所以:
圖4
L6615D 的VCC 的值限制了CGA 和SН 引腳的高電壓,獨(dú)立于當(dāng)前感應(yīng)引腳的電壓。
實(shí)際電路中可以將兩個(gè)小容量的電容器連接在電流感應(yīng)引腳和接地之間,用來濾除電流感應(yīng)放大器輸入端的信號(hào)的噪聲。
參見圖4,電流感應(yīng)放大器(CGA 引腳)的輸出與均流驅(qū)動(dòng)放大器(SН 引腳)的輸出之間的增益典型值為1,因此,對(duì)于主電源模塊,VCGA=VSН;均流總線上的電壓由主電源模塊提供。在從電源模塊中,當(dāng)VCGA(從級(jí))< VCGA(主級(jí))時(shí),均流驅(qū)動(dòng)放大器輸出端的二極管(見圖4)將該放大器的輸出與均流總線隔離。
均流感應(yīng)放大器(SSA)讀取總線電壓,將其輸出的信號(hào)傳輸?shù)秸`差放大器的同相輸入端,并與CGA 電壓進(jìn)行比較。
當(dāng)控制器L6615D 作為系統(tǒng)的主模塊的主控制器時(shí),E/A 輸入之間的電壓差為零。為了保證在這種情況下輸出低電平,誤差放大器的反相輸入端串聯(lián)插入一個(gè)40mV 的偏移量。而在從電源模塊中,輸入電壓差正比于主負(fù)載電流和從負(fù)載電流的差??鐚?dǎo)E/A 將輸入的電壓差Δ V 轉(zhuǎn)換為等效的電流:IOUT= GMΔV,流動(dòng)在COMP 引腳和地之間的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
E/A 輸出電壓驅(qū)動(dòng)調(diào)整放大器從連接到輸出電壓的ADJ 引腳通過一個(gè)小電阻沿感應(yīng)路徑來衰減電流。被ADJ 引腳衰減的電流偏離了從電源模塊的反饋路徑,阻止其增加占空比。
以2 臺(tái)額定輸入電壓28V、輸出直流電壓5V、并聯(lián)電源系統(tǒng)的輸出負(fù)載為60A,即每路輸出承擔(dān)負(fù)載為電流30A 的電源模塊并聯(lián)工作為例,應(yīng)用L6615D 均流控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),電路如圖5 所示。電源模塊設(shè)計(jì)的反饋電路參數(shù)固定不可變,采用的電源線高測(cè)感應(yīng)的方案,設(shè)計(jì)中L6615D 的工作電壓和冗余保護(hù)電路需另設(shè)計(jì)供電電路提供,或由電源系統(tǒng)中的其他電源模塊提供,典型應(yīng)用電路圖3 中的ORing 二極管選擇以MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管為關(guān)鍵器件的冗余保護(hù)電路替代。即,此設(shè)計(jì)可分為均流電路和冗余保護(hù)電路兩部分;均流電路需確定電源模塊和L6615D 的外圍電路參數(shù),須準(zhǔn)確設(shè)定電流檢測(cè)電阻RSENSE、調(diào)整電阻RADJ、增益調(diào)節(jié)電阻RCGA,補(bǔ)償電容CC、補(bǔ)償電阻RC;冗余保護(hù)電路需確定MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)及其驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)。
5.2.1 電流檢測(cè)電阻
由于檢測(cè)電阻與電源模塊正感應(yīng)端+OUT_s 端串聯(lián), 其壓降VSENSE必須小于模塊電壓最大調(diào)節(jié)范圍, 即VSENSE必須遠(yuǎn)小于△VSENSE(max), 否則芯片沒有足夠的空間調(diào)節(jié)模塊輸出電壓。
式中,△VSENSE(max)為電源模塊輸出電壓最大調(diào)節(jié)范圍,△VSENSE(max)=0.05V,IOUT(max)=30A,RSENSE理論計(jì)算值為1.6mΩ。文中提到過:在一個(gè)由兩個(gè)并聯(lián)的冗余電源(N=M=1)組成的系統(tǒng)中,每個(gè)電源模塊要考慮能夠維持整個(gè)負(fù)載電流的大?。ㄕG闆r下,它只攜帶一半的負(fù)載電流)。因此必須考慮整個(gè)負(fù)載電流來調(diào)整感應(yīng)電阻的規(guī)格。
式中IOUT(max)為60A,PRSENSE需選擇大于3W 的電阻??紤]降額,圖中RSENSE選取3 個(gè)4mΩ/2W 的功率電阻并聯(lián)使用。
根據(jù)L6615D 芯片資料的公式:RG=(1/2)(VOUT/10mA–40),選擇RG1=RG2=500Ω。
根據(jù)L6615D 芯片資料的公式,RADJ的最小值為:
其中IADJ(max)取8mA,計(jì)算得RADJ(min)=6.2Ω,實(shí)際應(yīng)用時(shí)RADJ取值100Ω。
5.2.2 電流檢測(cè)放大器放大倍數(shù)
連接在電流檢測(cè)放大器輸出短的CGA 引腳和GND 之間的電阻RCGA 用于定義共享總線上的最大電壓并設(shè)置電流共享部分的增益。RCGA/RG(從傳感部分到均流總線的增益)的比值可以計(jì)算為:
其中VSН(MAX)由實(shí)際應(yīng)用來定義,按電特性規(guī)定VSН(MAX)大于(VCC-2.2V), 圖 中VCC 為12V,VSН(MAX)取10V,RG=500Ω, VSENSE(MAX)=0.05V,計(jì)算得RCGA=100kΩ,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可微調(diào)。
5.2.3 誤差放大器補(bǔ)償參數(shù)
確定連接在COMP 端和GND 之間的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),即確定CC和RC的值,RC用于增加負(fù)載共享回路的相位裕度,這兩個(gè)元件值時(shí)均流控制電路中誤差放大器的補(bǔ)償元件,其取值關(guān)系電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性,合理的設(shè)置補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)可避免均流控制環(huán)與電壓控制環(huán)之間相互干擾。
根據(jù)L6615D 芯片資料公式,有:
式中,GM為誤差放大器的跨導(dǎo),按均流IC 電特性表設(shè)定,典型值為4ms;fC(SН)為均流環(huán)路的交越頻率;RLOAD為負(fù)載電阻值,RLOAD=VOUT/IOUT(max);APWRfC(SН)為fC(SН)頻率下電壓環(huán)的增益,在電源模塊和感應(yīng)端間接一個(gè)測(cè)量信號(hào)可測(cè)得;RA典型設(shè)計(jì)值按均流IC 電特性表中為100Ω;RSENSE=(4/3)mΩ;RCGA=100kΩ;RG=500Ω;RADJ=100Ω;設(shè)計(jì)中,設(shè)電源模塊的電壓環(huán)的交越頻率為400Нz,增益為10dB,則均流環(huán)的交越頻率選定40Нz,代入式(8),得:CC=3.18μF,實(shí)取3.3μF。將CC的值代入式(9),得:RC=1.2kΩ,實(shí)取1kΩ。CC和RC也可根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)整。
圖5 中冗余保護(hù)電路包括MOSFET、MOSFET 驅(qū)動(dòng)器、電阻ROV、RUV、RSET、R2、電容C4、C5、C6,冗余保護(hù)電路經(jīng)過對(duì)N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 的導(dǎo)通電阻RDS(ON)進(jìn)行采樣,產(chǎn)生具有相應(yīng)邏輯的電平準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)MOSFET 的柵極,控制其導(dǎo)通或關(guān)斷,其體二極管是反向偏壓的,所以它不導(dǎo)電。并聯(lián)的某個(gè)電源故障時(shí)將電源輸出與負(fù)載隔離,防止電流反灌給無故障的電源,避免因某一個(gè)電源的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)對(duì)于熱插拔、熱互換產(chǎn)生的浪涌電流也可以起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。
與典型應(yīng)用電路圖3 中使用二極管的解決方案相比,OR FET大大降低了功耗,下面的公式可以清楚的說明這一點(diǎn),式中,VF是二極管的正向壓降。
采用上述均流和冗余電路設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,應(yīng)能達(dá)到引言中均流措施的主要目的:
(1)當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí),保持電源的輸出電壓穩(wěn)定,并具有良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性。
(2)使每個(gè)電源模塊承受的輸出電流均攤。
(3)使均流與冗余保護(hù)電流技術(shù)結(jié)合。試驗(yàn)結(jié)果如下:
1.當(dāng)輸入電壓變化時(shí),采取均流措施前后每臺(tái)電源模塊和并聯(lián)后模
塊的輸出電壓對(duì)比情況見表1。從數(shù)據(jù)可見,并聯(lián)后,當(dāng)輸出電壓從16V 到40V 變化時(shí),輸出電壓維持穩(wěn)定性,變化量在10mV以內(nèi)。
經(jīng)測(cè):并聯(lián)前后,輸出從50%負(fù)載到100%負(fù)載瞬變時(shí),輸出電壓約從330mV 變到380mV,變化很小,仍能滿足小于10%Vo 的基本要求;輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間變化不大,并聯(lián)前后均為微秒級(jí)。
表1:并聯(lián)前后電源模塊的輸出電壓對(duì)比情況
表2:并聯(lián)的電源模塊承擔(dān)的輸出電流情況
2.并聯(lián)的2 個(gè)電源模塊承擔(dān)的輸出電流測(cè)試情況見表2。1#模塊和2#模塊并聯(lián)的功率分配精度計(jì)算公式為試驗(yàn)結(jié)果表明,采用L6615D 設(shè)計(jì)的均流控制電路后,模塊能均衡地分擔(dān)負(fù)載電流,分配精度較小,滿足國標(biāo)要求。
3.均流電路與冗余保護(hù)技術(shù)結(jié)合。經(jīng)過過流等試驗(yàn),冗余保護(hù)電路自動(dòng)保護(hù)電源模塊,故障消除時(shí),自動(dòng)恢復(fù)正常。證明所設(shè)計(jì)的冗余保護(hù)電路可有效的防止并聯(lián)系統(tǒng)中某個(gè)電源模塊故障或負(fù)載短路時(shí)的電流反灌。同時(shí),由本文2.4 可見,采用2 個(gè)并聯(lián)的MOSFET 作為冗余管,型號(hào)為BSC011N03LS,其導(dǎo)通電阻只有1.1 mΩ,2 個(gè)并聯(lián)導(dǎo)通電阻為0.55 mΩ,對(duì)電源效率影響小。
本文介紹了基于均流控制IC L6615D 的均流電路和冗余電路的設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,設(shè)計(jì)實(shí)例的驗(yàn)證結(jié)果證明,該電源并聯(lián)電路滿足DC/DC 變換器模塊并聯(lián)的基本要求。該電路已成功應(yīng)用到某電源系統(tǒng)中,證明了電路的工程實(shí)用性。