UC39002在开关电源并联自主均流中的应用.doc

UC39002在开关电源并联自主均流中的应用1. 引言：在实际应用中，往往由于一台直流稳定电源的输出参数（如电压、电流、功率）不能满足要求，而满足这种参数要求的直流稳定电源，存在重新开发、设计、生产的过程，势必加大电源的成本、延长交货时间、影响工程进度。因此在实用中往往采用模块化的构造方法，采用一定规格系列的模块式电源，按照一定的串联或并联方式，分别达到输出电压、输出电流、输出功率扩展的目的。但是电源输出参数的扩展，仅仅通过简单的串、并联方式还不能完全保证整个扩展后的电源系统稳定可靠的工作。不论电源模块是扩压还是扩流，均存在一个“均压”、“均流”的问题，而解决方法的不同，对整个电源扩展系统的稳定性、可靠性都有很大的影响。由于目前稳定电源输出扩流应用较多，本文仅讨论开关电源并联均流技术。均流的主要任务是：（1）当负载变化时，每台电源的输出电压变化相同。（2）使每台电源的输出电流按功率份额均摊。（3）具有良好的的负载瞬态响应特性。 2.提高系统可靠性方法：（1）在电源并联扩流过程中，为了提高系统工作稳定性，可采用Nm冗余的方法。其中m表示冗余份数，m值越大，系统工作可靠性越高，但是系统成本也相应增加。（2）采用均流技术保证系统正常工作。在电源并联扩流中，应用较为广泛的办法是自动均流技术。它通过取样、电子控制调节环路来保证整个系统的输出电流按每个单元的输出能力均摊，以达到既充分发挥每个单元的输出能力，又保证每个单元可靠工作的目的。（3）均流技术应满足条件：所有电源模块单元应采用公共总线。整个系统应有良好的均流瞬态响应特性。 整个并联输出扩流系统有一个公共控制电路。（4）常用的几种并联均流技术：改变单元输出内阻法（斜率控制法）主/从控制法（master/slave）外部控制电路法平均电流型自动负载均流法最大电流自动均流法（自动主/从法、民主均流法）强迫均流法3. 关于均流技术中常用的一些概念：31 稳压源（CV）电路框图和特性曲线分别如图1（a）、（b）所示，输出电压UO=RFUREF/R1（a）（b）图132 稳流源（CC）电路框图和特性曲线分别如图2（a）、（b）所示，输出电流IO=RFUREF/（RSR1）（a）（b）图233 CV/CC（恒压/恒流交叠）特性曲线如图3所示图34 常用几种均流技术的工作原理4.1 改变单元输出内阻法（斜率控制法、电压下垂式、输出特性斜率控制式）实现方式：UO固定，改变斜率斜率固定，改变输出电压（1）工作原理和特性曲线（a）（b）图4见图4（a）、（b），图中Imax=UOImax/Uslope，内阻RO=UO/IO当单元输出电流IO1增加时，IO1在电流检测电阻RS上的压降增加，致使A1输出电压增加，与单元电压反馈信号Uf叠加后送至A2反相输入端，经A2放大后输出Ur变负，利用这个Ur电压控制单元输出电流，从而实现均流。由图4（b）可以看出：当典型值UO=0.1,Uslope=2,则Imax=0.05Imax,即调整精度为5。这种调节精度对大多数调节系统来说是能接受的。（2）改变单元输出内阻法（斜率法）特点小电流时均流效果较差，这点可从公式Imax=0.05Imax看出。大电流时均流效果较好。对电压源来说，内阻RO（斜率）应越小越好，但是这种均流方法利用改变RO来实现均流，降低了电源输出的负载特性，即以牺牲电路的技术指标来实现均流。随着微处理器技术的发展，这种方法很容易实现程控，从而实现比较理想的均流控制特性。42 主/从控制法（Master/Slave）（1）工作框图见图5，在这种工作方式下用n个单元，其中一个单元（主控单元）工作在电压源（CV）方式，其余n1个单元工作于电流源（CC）方式，利用来自输出电流的误差电压U来实现均流控制。它实际上是由电压环（外环）和电流环（内环）构成电流控制型的双环控制，或说成是电压控制的电流源。（2）主要特点一旦主控单元出现故障则整个系统崩溃。图5由于电压环工作频带宽，易受噪声干扰。主/从单元间必须要有通讯联系，所以整个系统较复杂。可靠性取决于主模块，只能均流，不能构成冗余系统。适用于n个功率单元的系统。43 外部电路控制法（1）工作原理每一个单元加一个输出电流检测电路来检测它的电流，产生的反馈信号调节每个单元的电流，从而达到各单元间输出均流的目的。在这种情况下，每个单元间应有公共总线。（2）优缺点这种控制方法均流效果较好，但是每个单元需附加一个电流控制电路，成为控制环路的一部分，需满足环路的总体要求，否则会降低单元的技术指标及工作稳定性，降低系统的动态响应特性。由于每个单元都需要一个控制电路，所以整个扩流系统连线较多。44 平均电流型均流法（1）工作框图见图6，这种均流方式采用一个窄带电流放大器，输出端通过阻值为R的电阻连到均流母线上，n个单元采用n个这种结构。图6当输出达到均流时，电流放大器输出电流I1为零，这时IO1处于均流工作状态。反之，在电阻R上产生一个Uab，由这个电压控制A1，由A1再控制单元功率级输出电流，最终达到均流。（2）特点均流效果较好，易实现准确均流。在具体使用中，如出现均流母线短路或接在母线上的一个单元不工作时，母线电压下降，将使每个单元输出电压下调，甚至达到下限，以致造成故障。并且当某一模块的电流上升至Iomax时，电流放大器输出电流也达到极限值，同时致使其它单元输出电压自动下降。可以构成冗余系统，均流模块数理论上可以不限。缺点为了使系统在动态调节过程始终稳定，通常要限制最大调节范围，要将所有电压调节到电压捕捉范围以内。如果有一个模块均流线短路，则系统无法均流。单个模块限流也可能引起系统不稳定。在大系统中，系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决。如果在图6中的R支路上串一只二极管，则构成所讲的最大电流自动均流法。45 强迫均流法所谓强迫均流，就是通过监控模块实现均流。实现方式主要有软件控制和硬件控制两种。软件控制是通过软件计算，比较模块电流与系统图7平均电流，然后再调整模块电压，使其电流与平均电流相等。软件方式易于实现，均流精度高，但其瞬态响应比较差，调节时间长。硬件控制方式原理如图7所示，取样电压Us与系统基准电压Ur相比较产生误差电压Ue,该电压送至每个模块，与模块电流相比较，调节模块参考电压，从而改变输出电压，调节输出电流，实现均流。这样，每个模块都相当于电压控制的电流源。这种均流方式精度高，动态响应好，可控制模块多，可以很方便的组成冗余系统。对这种硬件强迫均流方法的一种改进就是所谓的PWM强迫均流法。工作原理如图8所示。图8强迫均流依赖监控模块，如果监控模块失效，则无法均流，这一点使用时应注意。在强迫均流中，每个监控系统监控的模块数可达100个，参数设置好后（即使模块电压相差较大，如1伏或更大）不需任何调整，均流精度高于2.5,负载响应快（在几百ms内），无振荡现象。46自主均流法（民主均流法，自动主/从控制法）（1）特点由于二极管总有正向压降，因而主单元均流总有误差，而从单元的均流效果是较好的。美国优尼则公司的UCC39002集成均流控制芯片(负载电流分配控制器)就工作在这种方式下。均流效果较好，易实现准确均流。可以构成冗余系统，均流模块数理论上可以不限在这种均流方式下，参与调节的单元由n个单元中的最大输出电流单元决定，一次只有这个最大输出电流单元工作，这个最大电流单元是随机的，所以有人把这种均流方法叫做“民主均流法”。又由于一旦最大均流单元工作，它处于主控状态，别的单元则处于被控状态，因此又有人把这种方法叫做“自动主/从控制法”。由于二极管总有正向压降，因而主单元均流总有误差，而从单元的均流效果是较好的。美国优尼则公司的UCC39002集成均流控制芯片就工作在这种方式下。（2）工作原理如图9所示，当n个单元中输出电流最大的一个电流放大器输出才能使二极管导通，从而影响均流母线电压，进而达到该单元均流调节作用。这种方法一次只有一个单元参与调节工作。图9在电源系统中常有这样的设计，将多个DC/DC变换器模块并联起来以满足所需的大电流输出。这种设计十分灵活，根据不同的输出电流，采用不同数量的并联模块。为了满足这种电源系统的性能及可靠性，需要由负载电流分配控制器来管理。负载电流分配控制器既可分配各模块的输出电流、调整各模块的输出电压，并且还可实现N+1冗余度设计，使电源系统更为安全、可靠。当然，为满足这种需要，模块要求有远距离检测调节输入功能。即它不仅有两个输出电压的端子，还有两个检测信号的端子。负载电流分配控制器是一种集成电路，它属于电源管理IC。近年来，随着这种电源的发展，它也有较大的改进。例如，德州仪器公司在UC3902及UC3907负载分配控制器的基础上，在2002年推出新型的UCC29002及UC39002负载分配控制器IC。ST公司在2002年6月也推出类似功能的负载分配控制器L6615。这些负载电流分配控制器工作原理基本相同、在结构上及性能上有一些差别。由DC/DC模块或电源并联起来，加上负载分配控制器可以组成低电压、大电流电源系统服务器、工作站、通信设备及其他分布式电源系统。负载分配器的特点负载分配控制器内部有多个精密运算放大器组成，如输出电流检测放大器、误差放大器、调整放大器等。现以UCC39002为例说明其特点： 在整个负载电流下，电流分配误差小于1； 可设置高端检测输出电流（检测电阻置于模块输出端）或低端检测电流（检测电阻置于地回路）； 超低失调电压的电流检测放大器； 内有单线的负载分配总线； 全量程可调节； 适用于Intel SSI(Sever System Infrastructure)负载分配技术要求； 在备用状态时，与负载分配总线不连接； 负载分配总线可克服对地短路或接电源正极短路； 小尺寸8管脚MSOP封装，外围元件少。内部原理框图： 功能描述：1. 电流采样放大器current sense amplifier (CS，CS，CSO)UCC39002的电流采样放大器通过一低值电流采样电阻器便可获得高精度和较高幅值的电压。但应注意其放大倍数的设定应满足CSO的输出电压小于供电电源的电压。2. 均流总线电压驱动放大器 load share bus driver amplifier (CSO)此放大器事实上实现一个无压降的理想二极管功能，把二极管放置在放大器的反馈环内，二极管功能自动地被建立起来。均流总线驱动放大器能把自己的输出电流感应电压反馈到总线（LS）上，而当母线电压则不会倒灌回CSO端。3. 均流总线电压接收放大器load share bus receiver amplifier (LS)此放大器是一电压跟随器，把总线电压反馈回内部供比较器用，同时也保证了均流总线在UC39002内部没有负载。 4误差放大器error amplifier (EAO)放大器的同相输入端连接均流总线的反馈电压，反相输入端连接自的输出电流感应电压，比较后的输出电压即为误差电压，并在输出端并接3V稳压管，对电压峰值予于限制，再给下一级调节放大器使用，。5调节放大器输出adjust amplifier output (ADJ)内置了500下拉电阻，及用于调节的三极晶体管，采用集电极开路输出，可用于外接电阻及其它电路。晶体管的电流，即（ADJ）的输入电流便受控于误差放