强迫均流法在电源系统中的应用

2012-07-18张荣刚吴桔生吴瑞坤

通信电源技术 2012年2期

张荣刚，吴桔生，吴瑞坤

（福建师范大学福清分校电子与信息工程系，福建福清350300）

0 引言

近年来，随着IC集成度的提高，中央处理器的工作频率也一直在提高，但工作电压却趋于更低，工作电流非但没有减少，反而增加。此外由于节能节材的考虑，系统电源体积越来越小，这就要求对MOS管的散热要给予更多的关注。

耗散功率的公式为Q＝I2R，I指的是经过 MOS管的漏源级电流，R是指MOS管的沟道电阻，正常情况下MOS管的沟道电阻是一个基本不变的值。为了降低MOS管沟道电阻值，设计人员选择将多只MOS管并联使用。但是由于生产工艺等原因，每个MOS管的沟道电阻不会都一样，对并联的MOS管来说，它所通过的电流与MOS管的沟道电阻成反比，这样对于沟道电阻较小的MOS管，其上流过的电流就较大，产生的热量也较大。例如有2只MOS管并联使用，漏源电压为0.5 V，其中一只的沟道电阻为10 mΩ，另一只的沟道电阻为14 mΩ，那么可以知道2只MOS管的耗散功率分别为25 W和17.86 W，两者耗散功率相差7.14 W，耗散功率大的那个MOS管就有可能烧毁，这种耗散功率差异对于大功率、大电流的情况尤为关键。因此当多个电源模块并联工作时，要解决的一个重要问题是负载电流的均分［1］。

均流的作用是使系统中的每个模块都能有效地输出功率，使系统中各模块处于最佳工作状态，保证电源系统稳定、可靠、高效地工作。均流的性能一般用不平衡度指标来衡量，不平衡度越小，其均流效果越好。国家有关标准和工业和信息化部入网要求不平衡度不大于5%。按照《通信用半导体整流设备》标准中描述的不平衡度，不平衡度的计算方法如下［2－3］：

式中，n为并联模块个数；Ik为第k个模块的输出电流；max｜Ii－Ij｜为所有模块输出电流差的最大值。

1 几种常用均流技术的工作原理和特点

1.1 斜率法（又称下垂法、输出阻抗法）［4］

斜率法是一种最简单的均流方法，其实质是利用模块电流反馈信号或直接输出串联电阻，改变模块单元的输出电阻，使外特性斜率趋于一致，达到均流。

斜率法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，会造成功率的损耗［5］。

1.2 主从电流法［4］

其实质是指定某一模块为主模块，工作在电压源方式下，它直接连接到均流母线；其余为从模块，工作在电流源方式下，它们从母线上获取均流信号，由于存在统一的误差ΔU，模块的输出电流与误差电压成正比，所以不管负载电流如何变化，各模块的电流总是相等的，从而实现均流控制。

1.3 平均电流法（自动均流）［3］

平均电流法是指各并联模块的电流放大器输出端a通过一个电阻R接到公用均流母线上，如图1所示。U’r是基准电压Ur和均流控制电压Uc的综合，它与反馈电压Uf进行比较放大后，产生误差电压Ue控制PWM及驱动器。均流母线电压Ub与每个电源模块的采样电压信号比较后通过调节放大器输出一个误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流的目的。

平均电流法可以精确地实现均流，但具体应用时，当均流母线发生短路，接在母线上的任一个模块不能工作时，母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至达到其下限值，结果造成电源系统故障［6］。

图1 平均电流法原理图

1.4 最大电流法［3］

最大电流法是在n个并联的模块中，输出电流最大的模块自动成为主模块，其余的模块为从模块，其电压误差依次被整定，如图2所示。最大电流法与平均电流法的区别仅在于将连接在电流放大器和均流总线之间的电阻用二极管（令a点接二极管阳极，b点接阴极）代替。这时均流母线上的电压Ub反映的是各并联模块的Ui中的最大值。由于二极管的单向性，只有电流最大的模块，二极管才导通，a点才能通过二极管与均流母线相连。如果某个模块电流突然增大，成为n个模块中电流最大的一个，于是Ur上升，该模块自动成为主模块，其它各模块为从模块。这时Ub＝Umax，而各模块的Ui与Ub比较，通过调整放大器调整基准电压，自动实现均流。

图2 最大电流法原理图

1.5 强迫均流法［7］

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。本文使用微控制器实现动态均流控制，即采用软件控制的方法实现［8］。

图3 系统控制板部分电原理图

2 系统设计

本文所设计的具有均流功能的控制系统选用STC10F04XE作为系统的微控制器。STC10F04XE监控3路电流，每一路都是由模数转换集成电路和数模转换集成电路构成的闭环系统，微控制器对其进行统一的控制，控制板部分电路如图3所示。工作原理如下：在均流功能控制板试验箱上采用3只功率管Q1～Q3并联使用，电流分别从电阻R1～R12取样，取样的电流值分为2路，一路作为3个三位半的LED数字显示表头驱动信号；另一路通过AD0804模数转换集成电路IC2、IC3、IC4及外围电路，把取样电流的模拟量转成微控制器可识别的数字信号，然后送到STC10F04XE，通过STC10F04XE的片选，把3路取样的电流值分别暂存在STC10F04XE的存储器内。STC10F04XE根据软件运行的结果，通过控制MOS管的栅极电压来改变漏源级的电流。

3 软件设计［9，10］

本系统所采用的算法不是以某一个设定值作为数据判断的依据，而是将三路采样值进行排队，挑选出最大值和最小值，并对它们进行比较，如图4。如果采样的最大值和最小值的偏差在某一设定的标准值内，微控制器就不发出控制信号；若某一路的电流值偏差超过设定的标准值，不论是偏大或是偏小，微控制器通过判定、计算发出对这一路修正后的数字控制信号，先把它暂存在74HC373的8位锁存器内，即IC6、IC8、IC10，然后传送到DAC0832数模转换集成电路IC7、IC9、IC11，把数字控制信号转成电流模拟量，再通过LM324运算放大器IC1把电流模拟量转成电压模拟量，通过三极管Q7、Q8和Q11来控制该路MOS管的栅极电压，通过闭环控制系统，使得经过其漏源级的电流得到人为调整。STC10F04XE重复上述的扫描、比较步骤，随时把修正后的数字控制信号送到锁存器内，不断更新锁存器内的数字控制信号，直到它们的最大值和最小值差值小于设定值为止，STC10F04XE就不再对它们送出控制信号。由锁存器通过数模转换电路，通过晶体管使MOS管的栅极电压稳定下来，因此，电流值也得以稳定。