基于LTC4350并联均流电源系统的设计与实现

吴兰君,张承芝

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.平原航空设备责任公司动力运行分厂,河南新乡453019）

随着开关电源技术在大功率电源系统和分布式电源系统的广泛应用,单个的开关电源模块输出功率有限,可靠性也低,电源系统为了提供更大更可靠的输出功率,就需要采用多个开关电源模块的并联应用技术.如何解决并联模块间的电流应力和热应力的均匀分配,防止一个或多个模块运行在自身的电流极限状态,是多个开关电源模块并联应用所要解决的关键技术.考虑到并联运行的各个开关电源模块特性并不一致,外特性好（电压调整率小）的模块可承担更多的电流,甚至过载,从而使某些外特性较差的模块运行于轻载状态,甚至于空载运行,必然加大了分担电流多的模块的热应力,从而降低了可靠性[1].为了提高系统的容错性和长期连续工作的可靠性,并联的开关电源在模块间通常需要采用均流措施[2-3].

本文以LTC4350做为研究对象,介绍均流控制原理,设计了相关外围电路,并辅以仿真实验加以验证.多个电源模块的并联使用可以保证整个电源系统的稳定性、可靠性,以实现大功率电源系统和分布式电源系统应用.

1 LTC4350均流控制原理

LTC4350外接一个低阻值感应电阻Rsense,用来检测单个电源模块输出电流的大小,以Rsense两端电压的高低形式反应出来.这个动态电压信号输入到LTC4350内部的运算放大器Isense功能模块进行放大输出,该输出与模块电源的输出电流成正比例,并通过外接增益电阻Rgain,产生取样比较电压信号.该电压信号接入内部运算误差放大器E/A2功能块的反向输入端,而均流控制总线SB上的电压信号接入E/A2正向输入端,两者进行比较,如若有误差,则E/A2的输出信号送入内部运算放大器Iout功能块放大输出,经过内置功率放大管Q1放大输出集电极电流,该电流也即是调节电流IADJ,如图1所示,IADJ通过外接电阻Rout,形成控制电压信号,从LTC4350的Iout端输出,送到模块前级电源稳压调节器LTC1629的控制输入端,这样,稳压控制器LTC1629的输出电压就跟随控制信号而自动调整,让单个模块的输出电流恒等于均流总线SB的电流.当整个电源系统中所有LTC4350的GAIN引脚电压等于均流总线SB引脚的电压时,也就相当于负载电流就被均匀地分配了,也就实现了LTC4350的均流控制目的.

由电阻R2和R3组成取样电压分配器,负责取样负载电压,并送入误差电压放大器E/A1,取样电压与内部的基准电压比较,其误差电压经过E/A1放大输出.如果取样电压低于或等于基准电压,则E/A1的输出通过串联的二极管对均流总线SB进行驱动,否则E/A1的输出端被接地,与其相连的二极管D1反偏而断开与均流总线的连接.具有最高基准电压的LTC4350将驱动SB引脚以及与SB引脚相连的20kΩ负载.串接在E/A1和SB之间的二极管D1实际上是一个在输出级带有二极管的低阻抗缓冲放大器,这样的缓冲放大器至少能够驱动50个20 kΩ的负载（每个20 kΩ负载就代表一个LTC4350）.主LTC4350的E/A1驱动均流总线达到适当值,此值即为E/A2的参考值,进而保持输出电压的可靠调节.

图1 LTC4350内部工作原理

2 LTC4350应用电路设计

本设计电路以同步降压型DC-DC转换器LTC1629作为模块的电压输出,采用LTC4350作为模块的均流控制和热插拔控制电路,以控制LTC1629输出到负载总线的电压.

2.1 保护电路设计

在电源与负载之间外串接两个功率FET（M1与M2）,如图1所示,当电源LTC1692输出短路接地时,通过检测电阻上的电压方向改变,一旦有大于30 mV的电压并持续5 μs时间,外部功率FET的栅极电压马上被拉低,此时,由M2负责断开模块与负载的连接,一旦通过检测电阻的反向压降小于20 mV,栅极电压就被允许上升直至开启功率FET.当电源LTC1692输出电压过高时,一旦OV引脚取样电压超过设定的1.22 V阈值,外部功率FET栅极电压被拉低,由M1负责断开与负载的电路连接.这样,只要一个电源模块出现故障,就让保护电路启动,断开本故障电源模块与负载总线的连接,并由故障状态告警线STATUS对外发出报警信号.

2.2 热插拔电路设计

整个电源系统长时间带负载工作,难免单个电源模块发生故障或失效,这就需要及时地移除故障模块和更换备份模块,否则将会给其他正常工作的电源模块增加额外的负担,引起电源系统的不稳定,甚至瘫痪整个电源系统.因此,除需要故障电源模块本身能主动断开负载连接外,还应该能自动发出告警信息,提示技术人员需要换上一个好的电源模块.为了满足连续供电的电源系统的需要,就要求电源模块能带电移除和插入,并且在插拔电源模块时,不能给整个电源系统带来干扰,保证整个电源系统的稳定性,以实现热插拔操作.

基于LTC4350的欠压引脚（UV引脚）,来实现热插拔功能.电源模块插入时,设定UV引脚的电压值低于欠压锁定值1.24 V时,使GATE端输出为0 V,外部功率FET被关断,此时本模块与负载不连通.随着Vcc引脚的电压因电容（实验给定一个0.1 μF的电容就可以）充电而缓慢上升,一旦Vcc引脚电压值高于欠压锁定值时,UV引脚的电压也随之升高,当该电压高于1.24 V时,外接功率FET的栅极通过10 μA的电流源充电,使GATE引脚的电压以斜率为10 μA/CG速率开始缓慢上升,实验给定CG的容量也为0.1 μF,如图2所示.这种缓慢的充电过程将使本模块电源输出能够平稳地接入负载,并给负载供电,可以有效地防止大的浪涌电流进入电源系统.当某个电源模块出现故障或拔出时,UV引脚电压将低于1.22 V,LTC4350对外接功率FET的栅极进行快速放电,UV引脚的电压将跌落至1.22 V以下时,外接FET关断,使该故障模块自动与负载隔离开来,这样就能实现LTC4350的热插拔功能.

图2 接通电源时GATE引脚电压变化情况

3 电路仿真与实现

总的设计思想如图3所示,每个电源模块都有自己的开关电源集成电路LTC1629以及均流集成电路LTC4350.让LTC1629集成电路来实现DC-DC转换,提供模块需要的负载电压.让LTC4350集成电路对来自LTC1629的输出电压进行调整,以实现本模块的均流控制,同时也负责完成本模块的热插拔控制,以实现本设计的主要功能要求.

为了验证设计电路的均流控制特性,搭建仿真实验模型,使用4个电源模块做并联均流实验,采用Spice III仿真软件,用纯电阻做假负载,实际测得单个模块的输出电流In（n=1,2,3,4）如表1所示.

图3 多模块并联工作原理

表1 4个20A/1.5V电源模块并联均流实验数据

从实验室数据来看,设计均流电路在轻载和重载的情况下,均流精度都能很好地控制在容忍的误差范围之内,均流精度比较高.

具体实现电路如图4所示,并联工作的模块间共享均流总线、负载总线、电源输入总线Vin以及模块故障状态告警总线STATUS.LTC4350的输出控制Iout信号直接加载到电源模块LTC1629的Vos+控制端,来实现对电源输出电压的自动调节.电阻ROUT和RSET用来设置电压调整范围.RSET上的电压以ROUT/RSET的比值转换成ROUT上的电压,用公式（1）表示调整电压的范围大小,RSET正常取值范围在50 Ω到100 Ω之内均可.

Rgain取值依靠感应电阻的最大电压降和Vcc而定,因GAIN引脚最高可能电压为1.5 V,因此用公式

（2）计算Rgain的阻值.

其中RSENSE为低阻值感应电阻,本设计用值为0.001 Ω,IMAX为单个电源模块提供的最大电流值,本设计为20 A.

本设计输出负载电压为1.5 V,让LTC1629的INTVcc引脚直接驱动LTC4350的Vcc引脚,即可以达到设计目的.

图4 实现均流和热插拔功能的单个电源模块

本设计只是展示了一单个电源模块的电路示意图,如图4所示.多个此样模块并接在一起,让其同时工作,就可为负载提供电力供应.各模块间自动均分负载电流,即可实现一个并联均流的电源系统.单个或少数电源模块的故障或失效,只要总的负载电流不超过系统供应,电源系统就不会崩溃,就可以保证电源系统安全、稳定、连续的电力供应,让整个电源系统具有很高的容错性.同时,故障或失效电源模块及时地发出告警信号,送到状态告警总线STATUS,能方便系统管理人员集中监控.

4 结束语

LTC4350集均流和热插拔功能于一体,既能实现整个电源系统的负载均流控制,又能实现热插拔操作,简化了电源模块的设计,很容易实现N+1冗余.实现的电源系统能够及时有效地识别故障或失效电源,同时GATE引脚输出低电平,让外接的FET开路,自动隔离故障电源模块与负载的连接.在不关断整个电源系统,不停止电源系统电力供应的情况下,安全地移走故障或失效的电源模块,同时换上备份模块,也不会因为插拔电源模块而给电源系统电力供应带来干扰,从而实现电源系统电力供应的连续性.做成的电源系统性能稳定,安全可靠.LTC4350主要应用在需要均流控制和热插拔电源系统中,比如服务器和网络设备供电系统,通信和基站设备供电系统以及分布式电源系统中.

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