一种应用于开关电源的负载均衡技术

吕托 崔梦宇 孙晓慧

摘 要：本文针对电源并联运行扩大电源系统容量和提高电源系统可靠性提出的一种并联方法。负载均衡是电源模块并联的关键，通过对同种电源模块进行了并联试验，试验结果表明，并联模块运行正常，电源模块均流误差小于1%。

关键词：开关电源 负载均衡技术 电源并联

中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0102-03

本文主要介绍的是一种电流均衡控制方式，能够使电源很方便的扩大功率容量，均匀分担电源的功率分配，能够增加电源的备份，极大地提高电源系统的可靠性。

在实际应用中，往往由于一台电源的输出功率不能满足要求，而满足这种参数要求的直流稳压电源存在重新设计的过程，势必加大电源的成本，影响产品交付进度。因此在实用中往往采用模块化的构造方式，采用几种规格系列的模块式电源，按照一定的并联方式，分别达到输出功率的扩展。

1 最大电流自动均流技术原理

如图1所示，为n个并联电源模块中的一个模块按最大电流自动均流法的控制电路原理图。其中电压放大器输入为ΔU和电源模块输出反馈电压Uf，ΔU是基准电压Ur和均流控制电压Uc的综合，它与Uf进行比较放大后，产生电压误差Ue，控制PWM控制器，从而控制电源模块主开关器件的驱动，达到控制电源占空比来调节输出电压。Ui为电流放大器的输出信号，和电源模块的负载电流成正比。Ub为母线电压。Ua与Ub之差代表均流误差（Ua与Ub相差一个二极管的压降0.7V），通过调整放大器输出一个调整电压Uc。由于二极管的单向导电性，只有电流最大电源模块才能与均流总线相接，也就是说，均流母线上的电压Ub反映的是并联模块Ui中的最大值。比较各自电流反馈与均流母线之间的电压的差值，通过均流控制器输出来补偿基准电压，从而达到该模块均流调节的作用。

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。

2 负载均流控制器介绍

自动均流控制芯片选用TI公司的UCC29002。在同类控制芯片种UCC9002均流精度较高，均流母线采用单端模式，减小了均流母线受干扰的几率。它工作温度是-40℃～105℃，满足电源工作温度要求。工作电压是4～15V，工作电流2.5mA。

3 均流电路应用

3.1 主功率電路设计

电源模块主功率电路采用全桥移相拓扑结构，控制芯片选用TI公司的UC1875J。电源模块额定输出28V/75A。输出电压信号反馈到控制芯片误差放大器的输入负端和基准电压比较通过调节PWM信号控制输出电压，以达到稳定输出的目的。均流电路采集分流器两端电压，经过电流放大器和均流总线驱动器给均流母线。均流母线跟随最大电压通过均流总线电压接收放大器和调节放大器输出调节UC1875J控制芯片的基准电压，调节电源模块电压以实现均流输出。

3.2 电流采样电路设计

电流采样采用分流器做采样电阻，选用TT公司的OAR系列，精度为1%，TCR小于±20×10-6℃，工作温度范围-40℃～125℃。可以满足电源的精度要求和温度范围。分流器选用5mΩ，4支并联。

3.3 供电电路设计

供电电路采用+15V辅助电源供电，通过电解电容C5（22uF/50V）和瓷介电容C4（0.1uF/50V）滤波后，给控制芯片UCC29002供电。

3.4 均流电路设计

均流电路如图2所示。电源输出后，通过采样电阻R15-R18采集电流输出电流信号，通过电阻R1﹑R2将采样信号传入控制芯片UCC29002，经过电流采样放大器将采集到的电流信号按照R3/R1的倍数放大，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。电压经过均流总线电压驱动放大器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。电流放大信号接入误差放大器的同相输入端连接均流总线的反馈电压，反相输入端连接自输出电流感应电压，与C6和R5组成反馈网络。UCC29002的调节放大器输出内置了500Ω下拉电阻，及用于调节的晶体管，采用集电极开路输出，连接电路中的电压调节Vadj，通过Vadj调节电源基准达到调节输出电压的目的，实现输出电流的调节。

UCC9002的电流放大器放大倍数为：

为了防止电流误差放大器饱和工作，误差放大器输出端电压（VCSO）必需比29002供电电压低2V。VCSO计算如下：

由于均流总线电压驱动放大器增益为1，所以满载时输出母线（Lshare）电压也为5.2V。对母线电压的选择要综合考虑噪音的敏感度、均流精度和并联的模块数。必要时需要在母线上增加LC滤波加大母线的抗干扰能力。

所有并联单元的均流环都是负反馈控制环，为了可靠的工作，负反馈控制环必须服从稳定性原则。均流环加在已存在的单个模块电源上，所以必须避免各控制环之间的干扰。为了保证电压环的稳定性，均流环的交越频率至少低于电压环交越频率的10倍，这样均流环在电压环交越频率处被最小化。

4 试验结果

用两台同样的电源模块做实验，输入380VAC，输出电压28V，输出电流如表1所示。从表1可以看出总体趋势是负载越大均流误差越小，输出负载在10%～100%均流误差可以控制在1%之内。

5 结语

从以上实验结果可以得到，本文所介绍的均流电路是可以实现电源模块的并联均流的，均流度较高，不需要重新设计电源模块就能很方便地做到功率扩展。另外，最大电流自动均流法是通过调节输出电压值来达到电源模块之间的负载均衡，那必然就牺牲了电压精度去取得电流分配的均衡。通过折中调整使得负载的均流误差控制在1%，电压精度控制在0.5%，这样可以满足电源的需求。

参考文献

[1] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理和设计[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 侯振义.直流开关电源技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2006.