数字电源开关并联供电的应用研究

数字电源开关并联供电的应用研究

摘要：开关电源模块并联供电系统是大功率输出、不间断供电电源技术发展方向之一。本文提出了一种开关电源模块并联供电系统的设计思路。 　　关键词：电源开关 并联 供电 　　中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0099-01 　　在诸如计算机服务器、通信基塔、空间站等要求大功率、高效安全可靠、不间断供电的电源系统场合，假如使用单个开关电源模块供电，那么开关电源模块主电路需要处理非常大的功率，所承受的电应力大，这给主电路功率器件的选择、开关频率和功率密度的提供造成了不便，并且一旦开关电源模块发生故障，则将可能造成整个电源系统崩溃。采用多个开关电源模块并联运行，来提高输出功率，以减轻单个电源模块的负担，是目前开关电源系统发展的一个方向。 　　多个开关电源模块并联运行虽然提高了可靠性，并能实现电路模块标准化等优点，但是并联工作的各个电源模块特性不可能完全一样，若不采取处理可能会影响其中的模块承受较大的输出电流，引起分配电流不均，导致该模块甚至整个电源系统的故障。因此，在多模块并联运行系统中必须引入有效的均流控制策略，从而使各模块均匀地承担负载功率，提高系统的可靠性。 　　1 DC-DC模块设计方法及实现方案 　　本系统实验电路采用TI公司的开关降压转换集成芯片TPS5430构成DC-DC主电路，TPS5430内部集成PWM产生电路、高位场效应管驱动电路以及110m欧低导通电阻的NMOS开关管，效率高达95%，输出电流最高可达到3A，有较宽的输出电压范围。TPS5430固定500KHz开关频率，因此可采用较小的滤波电容、电感消除纹波。同时，TPS5430集成度高，只需要配合少量外围元器件（自举电容、起储能与滤波作用的电感与电容、反馈电阻），构成BUCK电路，即可高效、精确、稳定地得到输出电压，单电源模块应用原理图如图1所示。 　　（1）二极管的选取。为了达到高效率，要使用压降小并且恢复速度快的续流二极管D1。普通的二极管，正向压降比较大，同时，由于开关管高速地在导通与截止状态之间转换，普通二极管反应速度不够快，二极管会大量发热并且使TPS5430的输出波形也会受到影响，整个系统的效率很低。 　　（2）输出滤波器的选择。电感L1和电容C1是DC-DC输出滤波器的关键，它们共同担负着储能与滤波的'作用。在设计输出滤波器时，可以选择一阶LC滤波器或二阶甚至更高阶LC滤波器，但兼顾到对效率及纹波的要求，可选择低阶滤波，以降低滤波器的消耗。由于TPS5430开关管的工作频率为500KHz，频率较高，故对电容电感的选择已经较为苛刻。 　　2 均流控制方法及实现方案 　　主从均流法、输出阻抗法、最大电流自动均流法、平均电流自动均流法和外加均流控制器法等是目前开关电源并联供电系统常用的均流方法，其中最大电流自动均流法具有均流精度高、负载调整率高、动态响应好、易于实现冗余的特点而得到广泛应用。负载共享控制器UCC39002设计原理是根据最大电流自动均流法设计，它控制多个独立电源或者DC/DC模块并联供电自动均流的理想选择。 　　在本系统实验电路中，使用两片UCC39002实现均流控制。在DC-DC模块正常工作时，将两路UCC39002的均流母线LS连接，根据UCC39002均流原理，UCC39002将会自动选出电流最大的一路，并将最大的一路电源作为主电源，此路UCC29002内部的三极管截止，即没有电流流入其ADJ脚，故该路中只是反馈线上比无UCC39002时多了一个小电阻R4。而电流较小的另一路电源成为从电源，均流母线上的电压将由主电源的输出电流决定，从电源的UCC39002接收到母线上的信号后，会控制从电源DC-DC模块稍稍提高输出电压，具体工作原理是，从电源UCC29002内部三极管导通，此三极管发射极有一个500Ω电阻到地，此时通过该三极管的电流即为/500，有此附加电流流过R4后，A点电压下降，从而B点基准电压也下降，而不再是1.22V，此时为了使恢复到1.22V，TPS5430将增加PWM脉冲宽度，增加V从而提高该路电流输出，减小与主电源的电压差，通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流，从而达到均流。 　　3 过流保护故障与自动恢复方法及实现方案 　　在本系统实验电路中，采用硬件电路实现。当开关电源的输出电流超过规定值时，利用电阻采样转换为电压与可预置的基准电压比较后，控制TPS5430的开关频率输出使能端ENA，也可设计为控制继电器断开负载，起到保护作用。为了实现自动恢复功能，本系统设计了单稳态触发延时电路，每次触发后系统停止工作可预值时间后，继续检测过流故障是否已经被排除。如果过流故障排除，系统自动恢复。 　　4 结论 　　根据所设计的实验电路，我们试制了实验样机，通过实验数据测试与分析，调整实验负载电阻至额定输出功率为32W工作状态下，供电系统的直流输出电压V维持在8.0±0.28V之间，纹波电压峰峰值在30mV左右，供电系统的效率高达93.6%，调整负载电阻至额定电流值范围内的任意输出电流值，两个电源模块的输出电流的相对误差绝对值小于3.2%，均流效果非常好，同时该系统集成性高，电路结构简单，所用器件少，还不易发热，保证了整个系统高效、稳定、可靠的运行。 　　参考文献： 　　[1]孙道宗，王卫星等.基于TPS5430和MAX1674的智能充电器.电子设计工程，2010，18（8）：145. 　　[2]蔡宣三.并联开关电源的均流技术[J].电工电能新技术，2010，3：12-16.

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