開關(guān)電源的并聯(lián)均流與恒功率輸出

林浩冬，徐靈飛

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000

0 引言

自開關(guān)穩(wěn)壓電源問世后，以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在計算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等領(lǐng)域逐步取代了效率低且笨重的線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的開關(guān)電源為串聯(lián)型，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但存在著體積大、效率低、承受過載和短路能力差等缺點(diǎn)。隨著脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，PWM的控制方式愈來愈多地應(yīng)用于開關(guān)控制器的設(shè)計。其特征是電路設(shè)計簡單，性能穩(wěn)定，控制型效率高，能夠很好的穩(wěn)定電壓幅值，同時，通過改變脈沖寬度占空比固定開關(guān)的頻率改善波形，具有良好的抑制輸出電壓紋波和噪聲功能。PWM的開關(guān)電源，電流模式的又明顯優(yōu)于電壓模式，因為電流模式的PWM 電源是電壓、電流雙環(huán)反饋，動態(tài)性能更好，并且自動抑制磁偏。下面的討論全部基于Unitrode 公司（已被TI收購）生產(chǎn)的UC3856 電流模式PWM 控制器。

1 基于分立器件的恒功率短路保護(hù)

一個完善的電源必定有著各種各樣的保護(hù)措施，比如：輸入過壓，欠壓，浪涌；電源本身過熱；輸出空載和短路。根據(jù)電源短路時輸出的伏安曲線，其短路保護(hù)策略分為關(guān)斷（7 字型伏安曲線）；恒流（下垂型伏安曲線）和恒功率（雙曲線型伏安曲線）3種。恒功率輸出的伏安曲線如圖1所示：電源正常工作在恒壓區(qū)。當(dāng)負(fù)載短路時，電源降低輸出電壓，保證輸出功率不變，器件不會過熱，電源仍然可以正常工作，電源處于恒功率區(qū)。隨著負(fù)載電阻進(jìn)一步減小，輸出功率不變，電流增大，電感和變壓器的磁芯會逐漸飽和，必須限定輸出電流，電源將進(jìn)入恒流區(qū)。也就是說，恒功率輸出這種短路保護(hù)策略是讓電源在不燒毀自身的前提下，盡最大努力保證負(fù)載工作。

圖1 電源短路時恒功率輸出的伏安曲線

用分立器件搭出短路時恒功率輸出的電路，最簡單的方法只需要幾個二極管和運(yùn)放。

圖2 恒功率輸出的電路

設(shè)電源輸出恒壓區(qū)200V,恒功率區(qū)100W，恒流區(qū)1A。a 點(diǎn)=Vo/100，b 點(diǎn)＝Io×0.1Ω。上面的電路實際是在伏安曲線圖上200V、0.5A和100V、1A 這兩點(diǎn)之間畫了一條向下傾斜的直線來代替恒功率的雙曲線。誤差最大的地方在直線段的中點(diǎn)，輸出功率為150V×0.75A=112.5W，誤差12.5%。功率影響的是器件的散熱，要求不如電壓和電流嚴(yán)格，還是可以接受的。運(yùn)放N4A 計算的是電源輸出的電壓和電流乘上一個系數(shù)在相加，也就是說R1和R2的取值要保證200V、0.5A和100V、1A時，運(yùn)放N4A的3 腳輸入不變。例如R1=20kΩ，R2=1kΩ。然后調(diào)整R3和R4的比值，使200V、0.5A和100V、1A時，運(yùn)放N4A的1 腳輸出2.5V（2.5V是VCC的一半）。運(yùn)放N2A和N3A 實際是比較器。如果電源輸出電流大于1A 或者輸出功率大于100W，那么運(yùn)放N2A 或N3A輸出VCC（5V）。二極管導(dǎo)通，累加一個電壓到運(yùn)放N1A 上去。反之，二極管截斷，運(yùn)放N1A只受a 點(diǎn)電壓的影響。另外，運(yùn)放N1A 不是分立器件，是集成在UC3856 中的電壓放大器。參考電位VREF不能高于VCC（5V）減去二極管的門限電壓（例如肖特基二極管為 0.5V）。

2 基于UC3907的并聯(lián)均流

如果用兩個200V、100W，短路時恒功率輸出的開關(guān)電源模塊并聯(lián)在一起去給200V、150W的負(fù)載供電。由于模塊間的差異性，模塊1單獨(dú)工作時輸出200V，模塊2單獨(dú)工作時輸出199.9V。那么它們并聯(lián)起來工作時，輸出電壓199.9V，模塊1輸出100W 模塊2輸出50W。在這種情況下，模塊1的工作溫度就就會比模塊2高出幾度到十幾度，其元件老化速度也要比模塊2高出很多。所以我們需要一種并聯(lián)均流技術(shù)，來將工作負(fù)載盡量平均的分到各個并聯(lián)的電源模塊上。

電流均流法很多，有：下垂法、主從法、外接控制器法、平均電流法、最大電流法等。相對而言最大電流法性能最好，調(diào)整簡單易實現(xiàn)，均流母線開路或短路都不會影響各電源模塊的獨(dú)立工作，任一模塊的故障也不會影響均流功能的實現(xiàn)。最大電流自動均流法是一種自動設(shè)定主模塊和從模塊的方法，即在N個并聯(lián)的模塊電源中，輸出電流最大的模塊電源，將自動成為主模塊.而其余的模塊電源則為從模塊，它們的電壓誤差依次被整定，以校正負(fù)載電流分配的不平衡。其原理圖如下：

圖3 最大電流法均流原理圖

UC3907 就是采用這種工作原理的均流控制芯片。這種均流芯片目前使用較廣泛。UC3907 均流控制芯片能使并聯(lián)運(yùn)行的電源模塊單元工作在所設(shè)定的電流值上，均流精度可達(dá)2.5%。

3 基于DSP的數(shù)字化恒功率和并聯(lián)均流方案

我們上次做的一個開關(guān)電源模塊，300V 到150V100W的輸出，體積要求香煙盒大小（8.8×5.5×2.2cm），要同時做短路時恒功率輸出和模塊間并聯(lián)均流，空間很緊張。但是這個電源模塊的負(fù)載變化極慢，幾乎沒有動態(tài)特性要求。所以我們定出方案，用一片DSP 來實現(xiàn)恒壓，恒功率和并聯(lián)均流3個反饋環(huán)。

經(jīng)過實際調(diào)研和性能比較，TI 公司的C2000 系列DSP 芯片具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括定點(diǎn)處理器C24X和C28X。C24X 系列為16位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算速度為20MIPS～40MIPS，可用于低速數(shù)據(jù)采集；TMS320C28X DSP 系列為32 位定點(diǎn)處理器，運(yùn)算速度高達(dá)400MIPS，可用于高速數(shù)據(jù)采集。C2000 系列采用高性能的靜態(tài)CMOS 技術(shù)，3.3V 電壓供電，內(nèi)核電壓為1.8V，片內(nèi)程序空間集成Flash，可以將系統(tǒng)控制程序直接燒入DSP 芯片內(nèi)部而不用外擴(kuò)Flash 存儲芯片，減少系統(tǒng)的功耗和體積。C24X 系列DSP 內(nèi)置2×8 通道10 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（ADC），轉(zhuǎn)換時間約為500ns；C28X 系列DSP 內(nèi)置2×8 通道12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC），轉(zhuǎn)換時間為80ns。經(jīng)過分析和比較，我們選擇用UC1856（uc3856的軍溫級）加上TMS320LF2401AVFS 來搭建這個電源模塊。

UC1856的電流檢測腳采用正常接法，對于推挽拓?fù)涞拈_關(guān)電源，是接在開關(guān)管下方的電流檢測電阻上。UC1856的電壓檢測放大器接成電壓跟隨的形式（一般情況是積分或者比例積分的形式），接到一個由TMS320LF2401AVFS 控制的D/A 轉(zhuǎn)換器上。電源的輸出電壓采樣，輸出電流采樣，均流誤差采樣的模擬電壓信號接到TMS320LF2401AVFS的3個A/D 通道上。TMS320LF2401AVFS 通過控制UC1856的電壓檢測放大器的輸入，來調(diào)整PWM的占空比，最終完成恒壓，恒功率和并聯(lián)均流三項工作。

TMS320LF2401AVFS的算法流程如下：

步驟一：損壞防止

1）電源輸出電壓是否超過最大電壓300V？超出計算差值，未超出此項為零；

2）電源輸出電流是否超過最大電流2/3A？超出計算差值，未超出此項為零；

3）電源輸出功率是否超過最大功率100W？超出計算差值，未超出此項為零；

4）計算損壞函數(shù)f1=α×電壓超出量+β*電流超出量+γ×功率超出量，（αβγ是系數(shù)，其中功率是二次量衰減系數(shù)更大）。如果f1 大于0 跳轉(zhuǎn)到步驟三，否則繼續(xù)步驟二。

步驟二：性能調(diào)節(jié)

1）計算f2=電源輸出電壓－參考電位VREF；

2） f3=均流誤差。

步驟三：占空比調(diào)節(jié)

根據(jù)f1 進(jìn)行大步長衰減，根據(jù)f2 進(jìn)行中步長調(diào)節(jié)，根據(jù)f3進(jìn)行小步長的修正。

為了加速收斂和衰減震蕩，采用了標(biāo)準(zhǔn)的PID 算法。

根據(jù)最終的測試結(jié)果，這個UC1856 加上TMS320LF2401AVFS的電源模塊，調(diào)壓精度約1/1000，和TMS320LF2401AVFS的10bitA/D 一致。其占空比調(diào)節(jié)的頻率大概是20KHz ，動態(tài)性能不光滿足上次設(shè)計的特殊用途，對于一般應(yīng)用，外加一兩顆儲能的大電容，也能滿足要求。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了開關(guān)電源在短路保護(hù)時，采用恒功率輸出和多電源模塊之間進(jìn)行并聯(lián)均流的一般實現(xiàn)方法。以及本人所在項目團(tuán)隊，在做上一個電源項目時，有特殊要求的情況下，恒功率輸出和并聯(lián)均流的實現(xiàn)方法。希望能為電力電子技術(shù)的愛好者和工程師，開拓思路，略有助益。

[1]ABRAHAM I.P 開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強(qiáng)，譯.電子工業(yè)出版社，2007.

[2]Texas Instruments.UC3856/UC3907/TMS320LF24XX DATASHEET，2010.

[3]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社，2004.

[4]林國慶，陳為，陳和平.新型恒功率輸出開關(guān)變換器控制策略的研究[J].電工電能新技術(shù)，2002，21(4)：51-53.