开关电源模块的并联均流和冗余设计

2015-03-15赵宪宁庄志义

无线电工程 2015年8期

关键词：冗余开关电源并联

赵宪宁，高　杰，庄志义

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

开关电源模块的并联均流和冗余设计

赵宪宁，高杰，庄志义

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

摘要针对大功率开关电源的需求，介绍了常用的并联均流方法。通过对参数的详细计算，设计了基于UCC29002的电源并联均流电路。为满足电源系统的可靠性要求，通过分析不同冗余方案，设计了基于MOS管的电源并联系统冗余电路。通过2台电源模块并联实验，验证了均流电路的有效性。

关键词开关电源；并联；均流；冗余

Design of Parallel Current-sharing and Redundancy of Switching Power Supply Module

ZHAO Xian-ning,GAO Jie,ZHUANG Zhi-yi

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAiming at the requirement of high-power switching power supply,this paper introduces some common current sharing methods.The power supply parallel current-sharing based on UCC29002 is designed by detailed calculation of parameters.To satisfy the reliability requirements of power supply system,different redundancy schemes are analyzed and a redundancy circuit of parallel current-sharing system based on MOSFET is designed.The current-sharing circuit is validated by parallel experiment of two power modules.

Key wordsswitching power supply;parallel;current-sharing;redundancy

0引言

随着科技的进步，新型电子装置的电源功率需求越来越大，单个电源已经不能满足功率要求[1,2]。受半导体功率器件(例如MOS管)以及磁性器件等自身性能影响，单台电源模块的输出功率往往不能做到很大[3,4]，使用几个开关电源模块进行并联的分布式电源系统因为具有高效率、大容量和高可靠性等优点，所以在大功率设备中得到了广泛的应用[5]。通过使用几个电源模块并联后供电，不仅可满足负载电流需求，而且还可构成N+1的冗余结构，进而提高了系统的稳定性[6]。但因为各个电源模块的特性有差异，若将各个模块直接进行并联，会使其承受输出电流不均衡，导致部分电源模块轻载运行，部分电源模块重载甚至过载运行，会大大降低系统的可靠性，缩短电源模块的使用寿命，本文通过使用并联均流技术实现平衡各个电源模块的输出电流，提高系统的可靠性。

1均流方法

为了获得并联电源模块的理想特性，已经提出一系列并联均流设计方法[7-9]。目前，常用的开关电源并联均流方法主要有：主从均流法、输出阻抗法、最大电流自动均流法和平均电流自动均流法等，其中最大电流自动均流法具有动态响应好、负载调整率高、均流精度高和易于实现冗余等优点故应用比较广泛[10]。主要工作机理如下：多个并联电源模块当中，输出电流最大的电源模块，会自动定义为主模块，其余电源模块则定义为从模块，各个从模块的电压误差通过芯片分别被调节，来校正负载电流分配中的不均衡度。通过最大电流自动均流法可以比较容易地实现冗余功能，这样就不会因某个模块发生故障进而影响整个系统的正常运行[11]。

2UCC29002外围电路设计

UCC29002是建立在最大电流自动均流法基础上的8引脚均流控制器，它为多个电源或者DC/DC电源模块并联均流提供需要的全部功能。UCC29002内部原理如图1所示。

图1　UCC29002内部原理

电流控制环由高精度电流检测放大器构成，输出电流最大的电源模块定义为主模块，产生的电流调整信号连接到外部电压控制环。芯片的电流检测放大器补偿网络可由用户自行定义，在输出电流不同的电源模块并联使用中只需修改放大器放大倍数而无需修改电流检测电路。特点是均流精度非常高，整个负载范围内均流误差<1%；既可高端也可低端检测电流；电流检测放大器具有超低的失调电压；内置单线负载均流总线；整个量程范围内均可调节；均流总线对地短路或接电源正极时具有短路保护功能。

2.1　电路设计要求

UCC29002典型应用电路如图2所示。

图2　UCC29002典型应用电路

为了在不同电源模块之间能够准确地均流，所使用的电源模块必须具有远端补偿端子(Remote sense)，且必须知道一些具体参数，这些参数主要有：额定输出电压VOUT，单个模块最大输出电流IOUT(max)，每个模块最大输出电压调整范围ΔVADJ(max)，电源模块输出V+和远端补偿端子S+之间内阻RSENSE。所选择电源模块的具体参数如下：VOUT=12 V，IOUT(max)=30 A，ΔVADJ(max)=1 V，RSENSE=100 Ω。

2.2　设计步骤

2.2.1电流采样电阻RSHUNT

电流采样电阻RSHUNT上的压降必须远远小于模块最大输出电压调整范围ΔVADJ(max)：

IOUT(max)×RSHUNT<<ΔVADJ(max)。

(1)

式中，IOUT(max)=30 A，ΔVADJ(max)=1 V，经过计算RSHUNT选取为1 mΩ。

2.2.2电流检测放大器放大倍数ACSA

电源模块输出满载时，电流采样放大器输出电压VCSO(max)必须满足：

VCSO(max)

(2)

再确定放大倍数为：

ACSA=VCSO(max)/(IOUT(max)×RSHUNT)。

(3)

经过计算，确定ACSA=RCSA1/RCSA2=150 kΩ/1 kΩ。

2.2.3调整电阻RADJ

在UCC29002内部，调整三极管集电极电平必须比发射极电平至少高1 V，来保证调整三极管工作在放大区，则RADJ需要满足：

(4)

但RADJ过大则会使得电源模块电压反馈回路不能正常工作，经过计算本文选取为180 Ω。

2.2.4误差放大器补偿参数确定

确定补偿电容CEAO的公式为：

(5)

式中，选择误差放大器的跨导gM=14 ms；fCO一般选取电源模块开关频率的1/10，这里选择为33 kHz；ACSA=100；AADJ=RADJUST/500；APWR(fCO)为fCO频率下电压环的增益，通过在模块电源和SENSE端子间接一个测量信号即可测得。经过计算最终选取CEAO为47 μF。

3冗余方案设计

传统冗余电源方案是通过将2个或多个电源分别连接至二极管阳极，以“或门”的方式并联输出连接到总线上。传统方案电路简单，但是有其固有缺点：功耗大、发热严重、需考虑散热措施和占用体积大[12]。新冗余方案使用大功率MOSFET来代替传统电路中的二极管，因为MOSFET的导通内阻可小到几个mΩ，故可大大降低损耗，不仅可以提高效率，由于无需散热器或者散热器比较小，故可大大节省电路板面积，也减少了设备的散热源。例如本设计中单个DC/DC变换器输出电流为30 A，如果使用最小压降的肖特基二极管也有0.45 V，则功率损耗为13.5 W，但是如果换成3.7 mΩ的MOSFET，则功率损耗下降到3.33 W。冗余方案中选择IR公司的MOSFET管IRFB4110，导通内阻RDS(on)典型值为3.7 mΩ。或门驱动器选择TI公司的TPS2412，基于TPS2412控制器的冗余电源系统如图3所示，TPS2412控制器和MOSFET管起到了传统冗余电路中二极管的作用。

图3　基于TPS2412控制器的冗余电源系统

4实验结果分析

使用2台额定输出12 V的电源模块并联做均流实验。2个电源模块并联均流后均流精度曲线图如图4所示。

图4　2个电源模块并联均流后均流精度曲线

均流实验的结果表明，采取基于UCC29002的并联均流措施后，2个电源模块能够均匀地分配负载电流，每个电源模块的均流精度能够控制在5%以内，满足大多数电子设备应用需求。

5结束语

本文摒弃了传统的通过二极管进行冗余电源的设计，改为使用MOS管来实现冗余控制，大大降低了冗余功耗。利用电源模块的远端补偿sense端子，设计了并联均流电路，均流效果良好。并联的各台电源模块地位平等，都有可能成为主电源，经过合理设计，可扩充容量，实现均流和冗余功能。这些也可由用户自己完成，使用十分灵活方便。

参考文献

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