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數字電源開關并聯供電的應用研究
摘要：開關電源模塊并聯供電系統是大功率輸出、不間斷供電電源技術發展方向之一。本文提出了一種開關電源模塊并聯供電系統的設計思路。 關鍵詞：電源開關 并聯 供電 中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）09-0099-01 在諸如計算機服務器、通信基塔、空間站等要求大功率、高效安全可靠、不間斷供電的電源系統場合，假如使用單個開關電源模塊供電，那么開關電源模塊主電路需要處理非常大的功率，所承受的電應力大，這給主電路功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提供造成了不便，并且一旦開關電源模塊發生故障，則將可能造成整個電源系統崩潰。采用多個開關電源模塊并聯運行，來提高輸出功率，以減輕單個電源模塊的負擔，是目前開關電源系統發展的一個方向。 多個開關電源模塊并聯運行雖然提高了可靠性，并能實現電路模塊標準化等優點，但是并聯工作的各個電源模塊特性不可能完全一樣，若不采取處理可能會影響其中的模塊承受較大的輸出電流，引起分配電流不均，導致該模塊甚至整個電源系統的故障。因此，在多模塊并聯運行系統中必須引入有效的均流控制策略，從而使各模塊均勻地承擔負載功率，提高系統的可靠性。 1 DC-DC模塊設計方法及實現方案 本系統實驗電路采用TI公司的開關降壓轉換集成芯片TPS5430構成DC-DC主電路，TPS5430內部集成PWM產生電路、高位場效應管驅動電路以及110m歐低導通電阻的NMOS開關管，效率高達95%，輸出電流最高可達到3A，有較寬的輸出電壓范圍。TPS5430固定500KHz開關頻率，因此可采用較小的濾波電容、電感消除紋波。同時，TPS5430集成度高，只需要配合少量外圍元器件（自舉電容、起儲能與濾波作用的電感與電容、反饋電阻），構成BUCK電路，即可高效、精確、穩定地得到輸出電壓，單電源模塊應用原理圖如圖1所示。 �。�1）二極管的選取。為了達到高效率，要使用壓降小并且恢復速度快的續流二極管D1。普通的二極管，正向壓降比較大，同時，由于開關管高速地在導通與截止狀態之間轉換，普通二極管反應速度不夠快，二極管會大量發熱并且使TPS5430的輸出波形也會受到影響，整個系統的效率很低。 �。�2）輸出濾波器的選擇。電感L1和電容C1是DC-DC輸出濾波器的關鍵，它們共同擔負著儲能與濾波的作用。在設計輸出濾波器時，可以選擇一階LC濾波器或二階甚至更高階LC濾波器，但兼顧到對效率及紋波的要求，可選擇低階濾波，以降低濾波器的消耗。由于TPS5430開關管的工作頻率為500KHz，頻率較高，故對電容電感的選擇已經較為苛刻。 2 均流控制方法及實現方案 主從均流法、輸出阻抗法、最大電流自動均流法、平均電流自動均流法和外加均流控制器法等是目前開關電源并聯供電系統常用的均流方法，其中最大電流自動均流法具有均流精度高、負載調整率高、動態響應好、易于實現冗余的特點而得到廣泛應用。負載共享控制器UCC39002設計原理是根據最大電流自動均流法設計，它控制多個獨立電源或者DC/DC模塊并聯供電自動均流的理想選擇。 在本系統實驗電路中，使用兩片UCC39002實現均流控制。在DC-DC模塊正常工作時，將兩路UCC39002的均流母線LS連接，根據UCC39002均流原理，UCC39002將會自動選出電流最大的一路，并將最大的一路電源作為主電源，此路UCC29002內部的三極管截止，即沒有電流流入其ADJ腳，故該路中只是反饋線上比無UCC39002時多了一個小電阻R4。而電流較小的另一路電源成為從電源，均流母線上的電壓將由主電源的輸出電流決定，從電源的UCC39002接收到母線上的信號后，會控制從電源DC-DC模塊稍稍提高輸出電壓，具體工作原理是，從電源UCC29002內部三極管導通，此三極管發射極有一個500Ω電阻到地，此時通過該三極管的電流即為/500，有此附加電流流過R4后，A點電壓下降，從而B點基準電壓也下降，而不再是1.22V，此時為了使恢復到1.22V，TPS5430將增加PWM脈沖寬度，增加V從而提高該路電流輸出，減小與主電源的電壓差，通過減小從電源與主電源的電壓差來提高該路輸出電流，從而達到均流。 3 過流保護故障與自動恢復方法及實現方案 在本系統實驗電路中，采用硬件電路實現。當開關電源的輸出電流超過規定值時，利用電阻采樣轉換為電壓與可預置的基準電壓比較后，控制TPS5430的開關頻率輸出使能端ENA，也可設計為控制繼電器斷開負載，起到保護作用。為了實現自動恢復功能，本系統設計了單穩態觸發延時電路，每次觸發后系統停止工作可預值時間后，繼續檢測過流故障是否已經被排除。如果過流故障排除，系統自動恢復。 4 結論 根據所設計的實驗電路，我們試制了實驗樣機，通過實驗數據測試與分析，調整實驗負載電阻至額定輸出功率為32W工作狀態下，供電系統的直流輸出電壓V維持在8.0±0.28V之間，紋波電壓峰峰值在30mV左右，供電系統的效率高達93.6%，調整負載電阻至額定電流值范圍內的任意輸出電流值，兩個電源模塊的輸出電流的相對誤差絕對值小于3.2%，均流效果非常好，同時該系統集成性高，電路結構簡單，所用器件少，還不易發熱，保證了整個系統高效、穩定、可靠的運行。 參考文獻： [1]孫道宗，王衛星等.基于TPS5430和MAX1674的智能充電器.電子設計工程，2010，18（8）：145. [2]蔡宣三.并聯開關電源的均流技術[J].電工電能新技術，2010，3：12-16.
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