一种适用于空间辐照环境的自主均流电路研究

高东辉，贺启峰，徐成宝，蔡可红

(中国电子科技集团公司第43 研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

作为航空、航天系统二次电源用的DC/DC 变换器主要采用单模块运行方式，随着航空、航天技术的不断发展，对DC/DC 变换器的功率等级要求也越来越高，采用多模块DC/DC 变换器并联工作的需求日益迫切。由于不同模块之间存在的差异性会导致模块并联运行时电流分配不均，从而降低系统的可靠性，因此必须引入有效的均流控制电路来使系统稳定可靠工作[1-8]。

目前针对开关电源的均流控制，推出了很多均流控制芯片，如TI 公司推出的UC3902 系列等[9-13]。虽然均流控制芯片使用方便、结构简单，但存在着采购周期长，无法满足高等级、特殊环境的应用等问题。由于均流控制芯片结构复杂，对芯片进行抗辐照加固难度大，技术尚不成熟，目前国内外尚无加固的均流控制芯片。

针对均流控制芯片无法在空间辐照环境中应用的问题，目前的通用方法是采用分立器件构成均流控制电路，电路一般由运放、缓冲器、阻容元件、二极管等组成，其中只有运放和缓冲器为辐照敏感器件，选用具有抗辐照能力的器件即可满足空间应用需求。

抗辐照加固运算放大器和缓冲器电路结构简单，芯片抗辐照加固相比于均流控制芯片更易于实现，目前抗辐照加固运算放大器和缓冲器已在国内外得到广泛应用。

本文对传统的由分立器件构成的自主均流电路进行优化，提出了一种电路结构简单、适用性强、成本低、精度高的开关电源自主均流电路。该均流电路只采用了一个运算放大器，其余均为阻容器件和二极管，因而只需采用抗辐照加固的运放，即可很好地应用于空间辐照环境中。

1 传统外环调节自主均流电路

DC/DC 变换器自主均流控制策略主要有三种结构：外环调节结构、内环调节结构和双环调节结构[14-16]。其中外环调节结构由于具有均流精度高、结构简单、配置灵活、易于模块化、易于扩展和维护等优点而得到了广泛应用。本文所采用的控制策略为应用最为广泛的外环调节策略，典型的外环调节自主均流电路结构如图1 所示。

图1 典型的外环调节自主均流电路

由图1 可知，该自主均流电路为三环控制模式，从外到内依次是均流环、电压环和电流环。为了减小由于二极管管压降导致的主模块存在的均流误差，采用单向缓冲器结构代替图1 中的二极管，如图2 所示。

图2 单向缓冲器电路

由图2 可见，当VA1＞VA2时，由单向缓冲器工作原理可知，均流母线电压VB=VA1＞VA2，此时从模块的单向缓冲器输出低电平，二极管D2截止，二极管D1导通。故均流母线电压与主模块采样电压相等，有效改善了图1 中主模块由于二极管管压降而导致的均流误差。

2 改进型外环调节自主均流电路

结合图1 和图2 所示的电路结构，提出一种改进型外环调节自主均流电路如图3 所示。

如图3 所示，当模块作为主模块工作时，二极管D3关断，D2导通，此时U1 起到了图2 中所示的单向缓冲器的作用；当模块作为从模块工作时，二极管D2关断，D3导通，此时U1 作为均流环运放工作。此种电路结构利用一个运放的交替工作模式实现了单向缓冲器和运放的功能，从而简化了电路结构。

此外，图3 中在运放U1 的输出端增加了二极管D3，通过合理的参数设计使得在单模块工作时二极管D3关断，均流电路不工作，避免了单模块工作时均流电路对DC/DC 变换器的影响。

针对图1 结构存在的DC/DC 模块的负载调整度差的问题，图3 在主模块工作时，二极管D3关断，均流电路不工作，主模块的负载调整度与均流环路无关，得到了很好的保证。同时在并联工作时，模块的输出电压跟随输出电压最高的模块，即从模块的输出电压跟随主模块，进而很好地改善了图1 中存在的DC/DC 模块并联工作时负载调整度差的问题。

2.1 单模块工作原理

如图3 所示，电压VB可由式(1)计算得出：

图3 改进型外环调节自主均流电路

其中，Vsense为电流采样得到的电压信号，VREF为电压基准信号，Ki、Kv分别为Vsense和VREF的分压系数，一般通过分压电阻网络来实现该功能。

由运放的“虚断”原理可知：

由运放的“虚短”原理可知：

根据式(2)和式(3)可得均流母线电压VC为：

假设二极管D2、D3导通时的管压降均为0.7 V，则均流运放U1 的输出电压VD为：

要使得单模块工作时，电压环不受均流电路的影响，二极管D3必须关断，即必须使得反馈电压VE(通常为2.5 V)和VD的关系满足下式：

综合式(1)～式(6)，同时考虑最恶劣的情况，即空载时，Vsense≈0 V，则有：

通过匹配合适的参数来满足式(7)，即可实现DC/DC变换器单模块运行时在全负载范围内都可以避免均流电路的影响。

2.2 模块并联工作原理

两模块并联运行时的电路结构图如图4 所示，两个模块的均流输出端通过均流母线连接在一起。

图4 两模块并联结构图

由前述分析可知，单模块运行时，均流输出端的电压VC反映的是模块初级电流的大小，当多模块并联运行时，由于二极管D2的作用，均流母线上的电压为输出电流最大的模块对应的VC电压。

如图4 所示，当两模块并联工作时，假设模块1 中的电流大于模块的电流时，则VC1＞VC2，此时模块1 的二极管D3截止，如图4 所示，用虚线表示，模块1 的均流电路未介入工作。VC1会通过电阻R5和R7反馈到模块2的运放U1 的反向输入端，此时U1 的同相输入端电压小于反向输入端电压，则U1 的输出被拉低，模块2 的二极管D2截止，如图4 所示，用虚线表示。模块2 的二极管D3导通，模块2 的均流电路开始工作，拉低VE，使得占空比增大，进而使得模块2 的输出电压升高，从而导致模块2 流过的电流会增加，模块1 流过的电流会减小，最终达到均流的目的。图3中的R5、R6、C2构成PI补偿器，用来补偿均流环路。

3 实验结果

为了验证上述电路的可行性和理论分析的正确性，将该均流电路应用到一款20 V～50 V 输入，5 V/20 A 输出的单端正激式DC/DC 变换器中。

3.1 单模块实验结果

为了验证图4 中的二极管D3对单模块工作时负载调整度的影响，图5 给出了有/无图3 中的二极管D3时，DC/DC 变换器在空载切换到满载时输出电压跃变波形。

图5 均流电路有/无二极管时模块的输出电压波形

从图5 中可以看出，当电路中不加二极管D3时，空载切换到满载时，输出电压出现了明显的下跌，负载调整度很差。当电路中增加二极管D3时，空载到满载切换时，输出电压基本保持不变。由图5 可见，该种均流电路可以很好地解决了图1 中存在的DC/DC 模块并联工作时负载调整度差的问题。

3.2 两模块并联实验结果

当模块的均流端未连接在一起时，两模块并联输出带20 A 时的稳态输出电流波形如图6 所示，模块均流精度较差，经计算为11%。

图6 均流端未连接时,并联模块输出电流波形

将两个模块的均流端连接在一起，得到模块的输出电流波形如图7 所示。从图7 中可以看出，当模块的均流端连在一起时，输出电流在20 A 和40 A 之间跃变时，两模块的输出电流基本一致，模块达到了很好的静态和动态均流效果。

图7 均流端连接时并联模块输出电流波形

3.3 多模块并联实验结果

为了进一步验证采用该均流电路时多模块并联时的均流效果，进行了5 模块并联实验，实测结果如表1所示。

从表1 的实测结果可以看出，模块间均达到了很好的均流效果，通过计算，在满载时，模块间的均流精度为2.5%。

表1 5 模块并联输出电流测试结果(A)

4 结论

针对均流控制芯片在空间辐照环境应用的局限性，基于传统的自主均流电路，本文提出了一种改进型自主均流电路，相比于传统的自主均流电路而言，利用一个运放的交替工作来实现单向缓冲器和运放的功能，简化了电路结构。同时解决了传统自主均流电路存在的负载调整度差的问题。相比于均流控制芯片在空间辐照环境中应用的局限性，该电路中只需采用抗辐照加固的运放，即可很好地应用于空间辐照环境中，均流电路的环境适应性大大增强。

本文详细分析了该电路的工作原理，并在一款100 W输出的单端正激式DC/DC 变换器中对其进行实验验证，实验结果证明了该电路的正确性和有效性。