开关电源的并联均流与恒功率输出

2010-08-29林浩冬徐灵飞

科技传播 2010年18期

林浩冬，徐灵飞

成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000

0 引言

自开关稳压电源问世后，以其效率高、体积小、重量轻等优势在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等领域逐步取代了效率低且笨重的线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的开关电源为串联型，其主电路拓扑与线性电源相仿，但存在着体积大、效率低、承受过载和短路能力差等缺点。随着脉冲宽度调制（PWM）技术的发展，PWM的控制方式愈来愈多地应用于开关控制器的设计。其特征是电路设计简单，性能稳定，控制型效率高，能够很好的稳定电压幅值，同时，通过改变脉冲宽度占空比固定开关的频率改善波形，具有良好的抑制输出电压纹波和噪声功能。PWM的开关电源，电流模式的又明显优于电压模式，因为电流模式的PWM 电源是电压、电流双环反馈，动态性能更好，并且自动抑制磁偏。下面的讨论全部基于Unitrode 公司（已被TI收购）生产的UC3856 电流模式PWM 控制器。

1 基于分立器件的恒功率短路保护

一个完善的电源必定有着各种各样的保护措施，比如：输入过压，欠压，浪涌；电源本身过热；输出空载和短路。根据电源短路时输出的伏安曲线，其短路保护策略分为关断（7 字型伏安曲线）；恒流（下垂型伏安曲线）和恒功率（双曲线型伏安曲线）3种。恒功率输出的伏安曲线如图1所示：电源正常工作在恒压区。当负载短路时，电源降低输出电压，保证输出功率不变，器件不会过热，电源仍然可以正常工作，电源处于恒功率区。随着负载电阻进一步减小，输出功率不变，电流增大，电感和变压器的磁芯会逐渐饱和，必须限定输出电流，电源将进入恒流区。也就是说，恒功率输出这种短路保护策略是让电源在不烧毁自身的前提下，尽最大努力保证负载工作。

图1 电源短路时恒功率输出的伏安曲线

用分立器件搭出短路时恒功率输出的电路，最简单的方法只需要几个二极管和运放。

图2 恒功率输出的电路

设电源输出恒压区200V,恒功率区100W，恒流区1A。a 点=Vo/100，b 点＝Io×0.1Ω。上面的电路实际是在伏安曲线图上200V、0.5A和100V、1A 这两点之间画了一条向下倾斜的直线来代替恒功率的双曲线。误差最大的地方在直线段的中点，输出功率为150V×0.75A=112.5W，误差12.5%。功率影响的是器件的散热，要求不如电压和电流严格，还是可以接受的。运放N4A 计算的是电源输出的电压和电流乘上一个系数在相加，也就是说R1和R2的取值要保证200V、0.5A和100V、1A时，运放N4A的3 脚输入不变。例如R1=20kΩ，R2=1kΩ。然后调整R3和R4的比值，使200V、0.5A和100V、1A时，运放N4A的1 脚输出2.5V（2.5V是VCC的一半）。运放N2A和N3A 实际是比较器。如果电源输出电流大于1A 或者输出功率大于100W，那么运放N2A 或N3A输出VCC（5V）。二极管导通，累加一个电压到运放N1A 上去。反之，二极管截断，运放N1A只受a 点电压的影响。另外，运放N1A 不是分立器件，是集成在UC3856 中的电压放大器。参考电位VREF不能高于VCC（5V）减去二极管的门限电压（例如肖特基二极管为 0.5V）。

2 基于UC3907的并联均流

如果用两个200V、100W，短路时恒功率输出的开关电源模块并联在一起去给200V、150W的负载供电。由于模块间的差异性，模块1单独工作时输出200V，模块2单独工作时输出199.9V。那么它们并联起来工作时，输出电压199.9V，模块1输出100W 模块2输出50W。在这种情况下，模块1的工作温度就就会比模块2高出几度到十几度，其元件老化速度也要比模块2高出很多。所以我们需要一种并联均流技术，来将工作负载尽量平均的分到各个并联的电源模块上。

电流均流法很多，有：下垂法、主从法、外接控制器法、平均电流法、最大电流法等。相对而言最大电流法性能最好，调整简单易实现，均流母线开路或短路都不会影响各电源模块的独立工作，任一模块的故障也不会影响均流功能的实现。最大电流自动均流法是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在N个并联的模块电源中，输出电流最大的模块电源，将自动成为主模块.而其余的模块电源则为从模块，它们的电压误差依次被整定，以校正负载电流分配的不平衡。其原理图如下：

图3 最大电流法均流原理图

UC3907 就是采用这种工作原理的均流控制芯片。这种均流芯片目前使用较广泛。UC3907 均流控制芯片能使并联运行的电源模块单元工作在所设定的电流值上，均流精度可达2.5%。

3 基于DSP的数字化恒功率和并联均流方案

我们上次做的一个开关电源模块，300V 到150V100W的输出，体积要求香烟盒大小（8.8×5.5×2.2cm），要同时做短路时恒功率输出和模块间并联均流，空间很紧张。但是这个电源模块的负载变化极慢，几乎没有动态特性要求。所以我们定出方案，用一片DSP 来实现恒压，恒功率和并联均流3个反馈环。

经过实际调研和性能比较，TI 公司的C2000 系列DSP 芯片具有诸多优点，包括定点处理器C24X和C28X。C24X 系列为16位定点处理器，运算速度为20MIPS～40MIPS，可用于低速数据采集；TMS320C28X DSP 系列为32 位定点处理器，运算速度高达400MIPS，可用于高速数据采集。C2000 系列采用高性能的静态CMOS 技术，3.3V 电压供电，内核电压为1.8V，片内程序空间集成Flash，可以将系统控制程序直接烧入DSP 芯片内部而不用外扩Flash 存储芯片，减少系统的功耗和体积。C24X 系列DSP 内置2×8 通道10 位数据转换（ADC），转换时间约为500ns；C28X 系列DSP 内置2×8 通道12 位数模转换（ADC），转换时间为80ns。经过分析和比较，我们选择用UC1856（uc3856的军温级）加上TMS320LF2401AVFS 来搭建这个电源模块。

UC1856的电流检测脚采用正常接法，对于推挽拓扑的开关电源，是接在开关管下方的电流检测电阻上。UC1856的电压检测放大器接成电压跟随的形式（一般情况是积分或者比例积分的形式），接到一个由TMS320LF2401AVFS 控制的D/A 转换器上。电源的输出电压采样，输出电流采样，均流误差采样的模拟电压信号接到TMS320LF2401AVFS的3个A/D 通道上。TMS320LF2401AVFS 通过控制UC1856的电压检测放大器的输入，来调整PWM的占空比，最终完成恒压，恒功率和并联均流三项工作。

TMS320LF2401AVFS的算法流程如下：

步骤一：损坏防止

1）电源输出电压是否超过最大电压300V？超出计算差值，未超出此项为零；

2）电源输出电流是否超过最大电流2/3A？超出计算差值，未超出此项为零；

3）电源输出功率是否超过最大功率100W？超出计算差值，未超出此项为零；

4）计算损坏函数f1=α×电压超出量+β*电流超出量+γ×功率超出量，（αβγ是系数，其中功率是二次量衰减系数更大）。如果f1 大于0 跳转到步骤三，否则继续步骤二。

步骤二：性能调节

1）计算f2=电源输出电压－参考电位VREF；

2） f3=均流误差。

步骤三：占空比调节

根据f1 进行大步长衰减，根据f2 进行中步长调节，根据f3进行小步长的修正。

为了加速收敛和衰减震荡，采用了标准的PID 算法。