一种分布式供电系统的设计与应用

航天科工惯性技术有限公司 张福亮 赵振江

引言

近年来，为系统提供电能的所有装置作为一个统一的对象来研究又提出了电源系统的概念，即用于产生系统设备所需各种电源的装置的总称。电源系统主要由一次电源、二次电源、电能分配装置、电源保护装置及电源控制装置等共同构成。电源系统的提出，将原系统二次电源的概念扩展为“大电源”的概念，将电源的研究内容扩展到能量变换、能量分配、供电的适应性等范围。

新型的分布式直流电源已经得到行业发展的共识。分布式供电电源概念取自48V通信电源的应用，近来，分布式电源又有了多种扩展方式，美国电源公司VICOR提出了VI-BRICK模式分布式电源，SynQor提出了BUCK稳压和交错并联推挽相结合的两级分布式供电方式。

因此，对分布式供电方式在集中供电系统中的应用进行研究，不仅可解决存在一些问题，同时分布式供电的方式可较好地适应电源系统这个概念，加强对能量分配、能量控制等方面的技术水平。

1.分布式供电

1.1 分布供电方式

该供电方式采用数字控制技术与模拟技术相结合的方式，既具有数字控制的灵活性，又式兼有模拟控制特有的动态特性，如图4所示。

图1 分布式供电方式组成框图

如图2所示，该电源结构框图主要包括四部分，分别为预稳压电路单元、功率分组电路单元、数字化控制单元、负载端稳压电路单元。

预稳压电路单元将一定范围内的输入电压稳定在比较精确的某一定设定值，作为后级功率分组电路单元的输入总线。

功率分组电路单元按照负载对供电特性的需求，将总线恒定电压进行隔离分组，实现比较稳定的电压输出。

控制单元采用全数字化设计，利用电源专用的高速DSP对预稳压电路以及功率分组电路进行输出采样并闭环控制，同时通过信号线控制负载端稳压电路单元的启动时序。

负载端稳压电路单元将功率分组单元输出的隔离电压进行精确稳压，提供给负载电路板使用。由于该电路单元放在负载电路板上，可以提供给负载更好的电源特性。

1.2 电源特性比较

仅从电源的性能将分布式供电与传统供电进行标校，传统集中式供电电源中以动态响应快、成本低、适应性好的单端反激结构电路为比较对象，有关情况见表1。

表1 传统供电与分布式供电比较

2.电源设计

电源设计采用数字控制与模拟控制相结合的方式，预稳压电路、隔离电路采用全数字控制方式，可以最大化的提高效率。负载端稳压电路采用模拟控制，最大限度的在负载端提高电源动态特性。

下文分别介绍各功能模块的工作原理以及电路设计。

2.1 预稳压电路单元

预稳压组件主电路采用改进型的升降压四开关电路，该稳压电路结构简单，输入输出同极性、共地。当输出电压和输入电压相近时，工作效率最高，为后级功率变换器提供小范围波动的直流电压。

主电路中包括四只开关器件、滤波储能电感、输入输出滤波电容，以输入15-50V，额定28V，预稳压输出为28V为设计对象。

主电路有三种工作模式，根据不同的输入电压进行不同模式的控制，控制方式见表2。

表2 三种工作模式

以基于LT3703模拟芯片的四开关电路为例，该芯片内置的控制方式与本文数字化控制方式相同，效率达到95%。

2.2 功率分组电路单元

功率分组电路单元采用正激推挽拓扑结构，该拓扑结构简单，外围元器件少、成本低，更方便对负载功率进行检测。

功率分组电路对预稳压组件提供的直流电压进行交流变换、整流，最终实现变压、隔离功能。隔离变压器采用多绕组输出设计，根据负载电源需求以及变压器绕制技术，选择适当的变压器磁芯选型以及绕制方式。

功率器件交替开通，占空比为50%，该组件控制采用开环控制。为提高组件功率变换效率，在变压器设计中避免采用副边全波整流的耦合方式，变压器采用推挽输出方式，副边采用半波整流，减少整流二极管数量，提高效率。采样电阻实现对原边电流的采样，并传递给控制电路板，中央控制器监测该信号确定变压器工作状态，可以有效去除变压器偏磁引起的故障模式，并通过判定该电流信号确定负载工作状态，实现变频控制，提高效率。

以基于SG1525的开环控制功率分组电路为例，芯片外围设定与与本文数字化控制方式相同，效率达到96%。

2.3 负载端稳压电路单元

负载端稳压电路单元是最接近负载电路的供电部分，该单元主电路采用BUCK同步整流电路，实现对电源输出的精确稳压功能。该拓扑结构需要较小的波电感，能够精确控制输出电压，具有良好的动态特性，同时该电路电磁兼容性好，更适合进行模块化设计，方便与目标负载板的连接，原理图见图2。

图2 负载端稳压电路主电路原理图

主电路中包括场效应管V1、V2、滤波电容C1、C2以及滤波电感L1，R1和R2为输出采样电阻，为控制芯片提供精确的输出采样电压。

控制部分采用高效控制芯片TPS40057，该芯片通过外围阻容可以实现限流、软启等扩展功能。该款芯片输入电压范围为8-40V，完全能够满足当前电源中5V、15V、18V等电压类型输出。BUCK变换器采用最小化式电路板设计，插针固定，方便在目标负载板上进行插拔连接，效率达到96。

2.4 控制电路

控制电路完成对预稳压电路、隔离电路、负载端稳压电路三部分的控制。该部分采用以电源专用控制芯片TI公司提供的高速DSP型 MS320F2812PGFA（简称为2812）作为核心控制核心，2812外接30MHz晶振，内部进行五倍频，最高工作频率150MHz，可以进行复杂的控制算法设计，其内部集成高速PWM外设、高速16通道AD转换器、丰富的I/O端口以及集成高速CAN通讯模块。

2812作为一款电源控制专用芯片，技术成熟，当前已经在交流电源中广泛应用。其内部集成的事件管理器A（EVA）、事件管理器B（EVB）专门用作多开关的电源控制，内部具有多组逻辑互补的控制信号，更兼有死区控制功能，设置简单方便。

2.4.1 预稳压电路控制

由于预稳压电路输入输出电压均为直流量，设计简单的分压电阻取样电路，分压取样信号进入2812内部高速AD，2812根据采样信号对预稳压电路进行闭环控制，并通过EVA对开关器件进行控制，控制流程图见图3。

图3 预稳压电路控制流程图

2.4.2 功率分组电路控制

功率分组电路控制采用开环控制，通过设定死区，使得占空比基本接近50%。同时，利用2812内部集成AD对推挽原边电流进行采样，同时利用上一级预稳压电路的直流输出，可以计算出系统所需求的总功率。

在直流电源中，功率损耗主要包括变压器的高频磁损和开关器件的高频驱动损耗，为提高整套电源系统工作效率，对隔离电路进行工作频率控制。由于在变压器型号确定的情况下，电源的输出功率与工作频率成近似反比关系。当电源工作在轻载时，适当降低工作频率，可以达到轻载高效的节能工作模式，该工作模式对于有限空间内的电源来讲，是非常有必要的，控制流程图见图4。

为防止功率分组电路在频率跳跃时造成系统输出不稳定或者其他干扰，在功率判定选择工作频率时需要增加滞环环节，该部分在程序判定中实现。

图4 隔离电路控制流程图

2.4.3 负载端稳压电路工作时序控制

随着功能的逐渐增加，对电源输出路数有了更多的要求，相应的各路电源间的启动时序也成为必须解决的问题。以往的集中式直流电源往往通过模拟电路中的供电控制、环路响应等实现对启动时序的控制，这种控制方式的一致性较差，反过来又会带来各路电源动态特性的差异。

采用数字化智能控制，方便的对各路电源的启动时序进行控制，而并不影响正常工作时的动态响应。

3.结论

基于数字控制与模拟控制相结合的分布式供电方式，在效率、可靠性、灵活控制等方面均优于传统的集中式供电电源，该功率构架对抗浪涌抑制方面有较好效果，在多路复杂供电系统中有较好的应用前景。

[1]张兴柱.开关电源功率变换器拓扑与设计[M].中国电力出版社,2010.

[2]LTC3780数据手册.