一種應用于開關電源的負載均衡技術

呂托 崔夢宇 孫曉慧

摘 要：本文針對電源并聯運行擴大電源系統容量和提高電源系統可靠性提出的一種并聯方法。負載均衡是電源模塊并聯的關鍵，通過對同種電源模塊進行了并聯試驗，試驗結果表明，并聯模塊運行正常，電源模塊均流誤差小于1%。

關鍵詞：開關電源 負載均衡技術 電源并聯

中圖分類號：TM56 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0102-03

本文主要介紹的是一種電流均衡控制方式，能夠使電源很方便的擴大功率容量，均勻分擔電源的功率分配，能夠增加電源的備份，極大地提高電源系統的可靠性。

在實際應用中，往往由于一臺電源的輸出功率不能滿足要求，而滿足這種參數要求的直流穩壓電源存在重新設計的過程，勢必加大電源的成本，影響產品交付進度。因此在實用中往往采用模塊化的構造方式，采用幾種規格系列的模塊式電源，按照一定的并聯方式，分別達到輸出功率的擴展。

1 最大電流自動均流技術原理

如圖1所示，為n個并聯電源模塊中的一個模塊按最大電流自動均流法的控制電路原理圖。其中電壓放大器輸入為ΔU和電源模塊輸出反饋電壓Uf，ΔU是基準電壓Ur和均流控制電壓Uc的綜合，它與Uf進行比較放大后，產生電壓誤差Ue，控制PWM控制器，從而控制電源模塊主開關器件的驅動，達到控制電源占空比來調節輸出電壓。Ui為電流放大器的輸出信號，和電源模塊的負載電流成正比。Ub為母線電壓。Ua與Ub之差代表均流誤差（Ua與Ub相差一個二極管的壓降0.7V），通過調整放大器輸出一個調整電壓Uc。由于二極管的單向導電性，只有電流最大電源模塊才能與均流總線相接，也就是說，均流母線上的電壓Ub反映的是并聯模塊Ui中的最大值。比較各自電流反饋與均流母線之間的電壓的差值，通過均流控制器輸出來補償基準電壓，從而達到該模塊均流調節的作用。

當n個單元中輸出電流最大的一個電流放大器輸出才能使二極管導通，從而影響均流母線電壓，進而達到該單元均流調節作用，這種方法一次只有一個單元參與調節工作。

2 負載均流控制器介紹

自動均流控制芯片選用TI公司的UCC29002。在同類控制芯片種UCC9002均流精度較高，均流母線采用單端模式，減小了均流母線受干擾的幾率。它工作溫度是-40℃～105℃，滿足電源工作溫度要求。工作電壓是4～15V，工作電流2.5mA。

3 均流電路應用

3.1 主功率電路設計

電源模塊主功率電路采用全橋移相拓撲結構，控制芯片選用TI公司的UC1875J。電源模塊額定輸出28V/75A。輸出電壓信號反饋到控制芯片誤差放大器的輸入負端和基準電壓比較通過調節PWM信號控制輸出電壓，以達到穩定輸出的目的。均流電路采集分流器兩端電壓，經過電流放大器和均流總線驅動器給均流母線。均流母線跟隨最大電壓通過均流總線電壓接收放大器和調節放大器輸出調節UC1875J控制芯片的基準電壓，調節電源模塊電壓以實現均流輸出。

3.2 電流采樣電路設計

電流采樣采用分流器做采樣電阻，選用TT公司的OAR系列，精度為1%，TCR小于±20×10-6℃，工作溫度范圍-40℃～125℃。可以滿足電源的精度要求和溫度范圍。分流器選用5mΩ，4支并聯。

3.3 供電電路設計

供電電路采用+15V輔助電源供電，通過電解電容C5（22uF/50V）和瓷介電容C4（0.1uF/50V）濾波后，給控制芯片UCC29002供電。

3.4 均流電路設計

均流電路如圖2所示。電源輸出后，通過采樣電阻R15-R18采集電流輸出電流信號，通過電阻R1﹑R2將采樣信號傳入控制芯片UCC29002，經過電流采樣放大器將采集到的電流信號按照R3/R1的倍數放大，但應注意其放大倍數的設定應滿足CSO的輸出電壓小于供電電源的電壓。電壓經過均流總線電壓驅動放大器把自己的輸出電流感應電壓反饋到總線（LS）上，而當母線電壓則不會倒灌回CSO端。電流放大信號接入誤差放大器的同相輸入端連接均流總線的反饋電壓，反相輸入端連接自輸出電流感應電壓，與C6和R5組成反饋網絡。UCC29002的調節放大器輸出內置了500Ω下拉電阻，及用于調節的晶體管，采用集電極開路輸出，連接電路中的電壓調節Vadj，通過Vadj調節電源基準達到調節輸出電壓的目的，實現輸出電流的調節。

UCC9002的電流放大器放大倍數為：

為了防止電流誤差放大器飽和工作，誤差放大器輸出端電壓（VCSO）必需比29002供電電壓低2V。VCSO計算如下：

由于均流總線電壓驅動放大器增益為1，所以滿載時輸出母線（Lshare）電壓也為5.2V。對母線電壓的選擇要綜合考慮噪音的敏感度、均流精度和并聯的模塊數。必要時需要在母線上增加LC濾波加大母線的抗干擾能力。

所有并聯單元的均流環都是負反饋控制環，為了可靠的工作，負反饋控制環必須服從穩定性原則。均流環加在已存在的單個模塊電源上，所以必須避免各控制環之間的干擾。為了保證電壓環的穩定性，均流環的交越頻率至少低于電壓環交越頻率的10倍，這樣均流環在電壓環交越頻率處被最小化。

4 試驗結果

用兩臺同樣的電源模塊做實驗，輸入380VAC，輸出電壓28V，輸出電流如表1所示。從表1可以看出總體趨勢是負載越大均流誤差越小，輸出負載在10%～100%均流誤差可以控制在1%之內。

5 結語

從以上實驗結果可以得到，本文所介紹的均流電路是可以實現電源模塊的并聯均流的，均流度較高，不需要重新設計電源模塊就能很方便地做到功率擴展。另外，最大電流自動均流法是通過調節輸出電壓值來達到電源模塊之間的負載均衡，那必然就犧牲了電壓精度去取得電流分配的均衡。通過折中調整使得負載的均流誤差控制在1%，電壓精度控制在0.5%，這樣可以滿足電源的需求。

參考文獻

[1] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理和設計[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2] 侯振義.直流開關電源技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2006.