一種高效率開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)設計

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備[1]。電源產(chǎn)業(yè)為了適應時代的發(fā)展必須不斷提升技術，需要做到更加安全、可靠、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、環(huán)保等。開關電源作為一種新型電源供應器又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。開關電源較之于傳統(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。開關電源的一項重要用途是為信息技術產(chǎn)業(yè)服務。信息技術產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展也有力地推動了開關電源技術的發(fā)展。目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制開關晶體管關斷和開通的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓。

1 開關電源技術

開關電源的具體工作原理如圖1所示，直流電壓Ui經(jīng)過受開關脈沖控制的開關S加至輸出端[2]。通過改變開關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 開關電源的工作原理

開關電源直流輸出電壓Uo與輸出電壓Ui之間有如下關系：Uo=Ui·D(D為脈沖占空比)。若開關周期T一定，改變開關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式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，所以PWM式的開關電源應用較多。

2 設計方案的選擇

開關電源并聯(lián)供電[3]是現(xiàn)代電力電子技術發(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力和熱應力均勻分配，這就要求系統(tǒng)各個模塊具有輸出自動均流功能。

2.1 開關電源控制模塊的選擇

開關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，被廣泛應用于各種開關電源。

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

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(即是否存在開關變壓器隔離)，分成BUCK和反激變換器兩類。采用BUCK變換器，其結構簡單，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，適合小型實驗應用。所以本設計選用非隔離式DC-DC BUCK變換器作為本設計的主電路。

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)電路設計

本設計主要由開關電源控制模塊、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 開關電源控制模塊的原理

本設計采用TL494構成BUCK開關變換器，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。控制模塊原理圖如圖3所示[6]。

圖3 TL494構成的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控制的開關管，D為續(xù)流二極管、C為輸出濾波電容。在開關管導通期間，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]。在開關管關斷期間，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。模塊單元的開關管按照PWM信號開通和關斷，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：由于本設計是兩路并聯(lián)輸出，所以重點講述兩個開關變換器模塊并聯(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

測試結果分析：從測試的數(shù)據(jù)可以看出，本設計能較好的實現(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 結語

順應時代對大功率電源的要求，需要提高開關電源的效率。開關電源模塊并聯(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。在設計過程中遇到了如電感的選取、均流電路的設計等一系列問題，經(jīng)過不斷改進，基本滿足了設計目標，實現(xiàn)了兩路開關電源并聯(lián)輸出，并且可以自動均流分配，效率也可以滿足要求。