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數(shù)字電源開關并聯(lián)供電的應用研究
摘要：開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)是大功率輸出、不間斷供電電源技術發(fā)展方向之一。本文提出了一種開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的設計思路。 關鍵詞：電源開關 并聯(lián) 供電 中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）09-0099-01 在諸如計算機服務器、通信基塔、空間站等要求大功率、高效安全可靠、不間斷供電的電源系統(tǒng)場合，假如使用單個開關電源模塊供電，那么開關電源模塊主電路需要處理非常大的功率，所承受的電應力大，這給主電路功率器件的選擇、開關頻率和功率密度的提供造成了不便，并且一旦開關電源模塊發(fā)生故障，則將可能造成整個電源系統(tǒng)崩潰。采用多個開關電源模塊并聯(lián)運行，來提高輸出功率，以減輕單個電源模塊的負擔，是目前開關電源系統(tǒng)發(fā)展的一個方向。 多個開關電源模塊并聯(lián)運行雖然提高了可靠性，并能實現(xiàn)電路模塊標準化等優(yōu)點，但是并聯(lián)工作的各個電源模塊特性不可能完全一樣，若不采取處理可能會影響其中的模塊承受較大的輸出電流，引起分配電流不均，導致該模塊甚至整個電源系統(tǒng)的故障。因此，在多模塊并聯(lián)運行系統(tǒng)中必須引入有效的均流控制策略，從而使各模塊均勻地承擔負載功率，提高系統(tǒng)的可靠性。 1 DC-DC模塊設計方法及實現(xiàn)方案 本系統(tǒng)實驗電路采用TI公司的開關降壓轉換集成芯片TPS5430構成DC-DC主電路，TPS5430內部集成PWM產(chǎn)生電路、高位場效應管驅動電路以及110m歐低導通電阻的NMOS開關管，效率高達95%，輸出電流最高可達到3A，有較寬的輸出電壓范圍。TPS5430固定500KHz開關頻率，因此可采用較小的濾波電容、電感消除紋波。同時，TPS5430集成度高，只需要配合少量外圍元器件（自舉電容、起儲能與濾波作用的電感與電容、反饋電阻），構成BUCK電路，即可高效、精確、穩(wěn)定地得到輸出電壓，單電源模塊應用原理圖如圖1所示。 �。�1）二極管的選取。為了達到高效率，要使用壓降小并且恢復速度快的續(xù)流二極管D1。普通的二極管，正向壓降比較大，同時，由于開關管高速地在導通與截止狀態(tài)之間轉換，普通二極管反應速度不夠快，二極管會大量發(fā)熱并且使TPS5430的輸出波形也會受到影響，整個系統(tǒng)的效率很低。 �。�2）輸出濾波器的選擇。電感L1和電容C1是DC-DC輸出濾波器的關鍵，它們共同擔負著儲能與濾波的作用。在設計輸出濾波器時，可以選擇一階LC濾波器或二階甚至更高階LC濾波器，但兼顧到對效率及紋波的要求，可選擇低階濾波，以降低濾波器的消耗。由于TPS5430開關管的工作頻率為500KHz，頻率較高，故對電容電感的選擇已經(jīng)較為苛刻。 2 均流控制方法及實現(xiàn)方案 主從均流法、輸出阻抗法、最大電流自動均流法、平均電流自動均流法和外加均流控制器法等是目前開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)常用的均流方法，其中最大電流自動均流法具有均流精度高、負載調整率高、動態(tài)響應好、易于實現(xiàn)冗余的特點而得到廣泛應用。負載共享控制器UCC39002設計原理是根據(jù)最大電流自動均流法設計，它控制多個獨立電源或者DC/DC模塊并聯(lián)供電自動均流的理想選擇。 在本系統(tǒng)實驗電路中，使用兩片UCC39002實現(xiàn)均流控制。在DC-DC模塊正常工作時，將兩路UCC39002的均流母線LS連接，根據(jù)UCC39002均流原理，UCC39002將會自動選出電流最大的一路，并將最大的一路電源作為主電源，此路UCC29002內部的三極管截止，即沒有電流流入其ADJ腳，故該路中只是反饋線上比無UCC39002時多了一個小電阻R4。而電流較小的另一路電源成為從電源，均流母線上的電壓將由主電源的輸出電流決定，從電源的UCC39002接收到母線上的信號后，會控制從電源DC-DC模塊稍稍提高輸出電壓，具體工作原理是，從電源UCC29002內部三極管導通，此三極管發(fā)射極有一個500Ω電阻到地，此時通過該三極管的電流即為/500，有此附加電流流過R4后，A點電壓下降，從而B點基準電壓也下降，而不再是1.22V，此時為了使恢復到1.22V，TPS5430將增加PWM脈沖寬度，增加V從而提高該路電流輸出，減小與主電源的電壓差，通過減小從電源與主電源的電壓差來提高該路輸出電流，從而達到均流。 3 過流保護故障與自動恢復方法及實現(xiàn)方案 在本系統(tǒng)實驗電路中，采用硬件電路實現(xiàn)。當開關電源的輸出電流超過規(guī)定值時，利用電阻采樣轉換為電壓與可預置的基準電壓比較后，控制TPS5430的開關頻率輸出使能端ENA，也可設計為控制繼電器斷開負載，起到保護作用。為了實現(xiàn)自動恢復功能，本系統(tǒng)設計了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)延時電路，每次觸發(fā)后系統(tǒng)停止工作可預值時間后，繼續(xù)檢測過流故障是否已經(jīng)被排除。如果過流故障排除，系統(tǒng)自動恢復。 4 結論 根據(jù)所設計的實驗電路，我們試制了實驗樣機，通過實驗數(shù)據(jù)測試與分析，調整實驗負載電阻至額定輸出功率為32W工作狀態(tài)下，供電系統(tǒng)的直流輸出電壓V維持在8.0±0.28V之間，紋波電壓峰峰值在30mV左右，供電系統(tǒng)的效率高達93.6%，調整負載電阻至額定電流值范圍內的任意輸出電流值，兩個電源模塊的輸出電流的相對誤差絕對值小于3.2%，均流效果非常好，同時該系統(tǒng)集成性高，電路結構簡單，所用器件少，還不易發(fā)熱，保證了整個系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、可靠的運行。 參考文獻： [1]孫道宗，王衛(wèi)星等.基于TPS5430和MAX1674的智能充電器.電子設計工程，2010，18（8）：145. [2]蔡宣三.并聯(lián)開關電源的均流技術[J].電工電能新技術，2010，3：12-16.
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