強迫均流法在電源系統中的應用

張榮剛，吳桔生，吳瑞坤

（福建師范大學福清分校電子與信息工程系，福建 福清350300）

0 引 言

近年來，隨著IC集成度的提高，中央處理器的工作頻率也一直在提高，但工作電壓卻趨于更低，工作電流非但沒有減少，反而增加。此外由于節能節材的考慮，系統電源體積越來越小，這就要求對MOS管的散熱要給予更多的關注。

耗散功率的公式為Q＝I2R，I指的是經過 MOS管的漏源級電流，R是指MOS管的溝道電阻，正常情況下MOS管的溝道電阻是一個基本不變的值。為了降低MOS管溝道電阻值，設計人員選擇將多只MOS管并聯使用。但是由于生產工藝等原因，每個MOS管的溝道電阻不會都一樣，對并聯的MOS管來說，它所通過的電流與MOS管的溝道電阻成反比，這樣對于溝道電阻較小的MOS管，其上流過的電流就較大，產生的熱量也較大。例如有2只MOS管并聯使用，漏源電壓為0.5 V，其中一只的溝道電阻為10 mΩ，另一只的溝道電阻為14 mΩ，那么可以知道2只MOS管的耗散功率分別為25 W和17.86 W，兩者耗散功率相差7.14 W，耗散功率大的那個MOS管就有可能燒毀，這種耗散功率差異對于大功率、大電流的情況尤為關鍵。因此當多個電源模塊并聯工作時，要解決的一個重要問題是負載電流的均分［1］。

均流的作用是使系統中的每個模塊都能有效地輸出功率，使系統中各模塊處于最佳工作狀態，保證電源系統穩定、可靠、高效地工作。均流的性能一般用不平衡度指標來衡量，不平衡度越小，其均流效果越好。國家有關標準和工業和信息化部入網要求不平衡度不大于5%。按照《通信用半導體整流設備》標準中描述的不平衡度，不平衡度的計算方法如下［2－3］：

式中，n為并聯模塊個數；Ik為第k個模塊的輸出電流；max｜Ii－Ij｜為所有模塊輸出電流差的最大值。

1 幾種常用均流技術的工作原理和特點

1.1 斜率法（又稱下垂法、輸出阻抗法）［4］

斜率法是一種最簡單的均流方法，其實質是利用模塊電流反饋信號或直接輸出串聯電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性斜率趨于一致，達到均流。

斜率法降低了電源輸出的負載特性，即以犧牲電路的技術指標來實現均流，會造成功率的損耗［5］。

1.2 主從電流法［4］

其實質是指定某一模塊為主模塊，工作在電壓源方式下，它直接連接到均流母線；其余為從模塊，工作在電流源方式下，它們從母線上獲取均流信號，由于存在統一的誤差ΔU，模塊的輸出電流與誤差電壓成正比，所以不管負載電流如何變化，各模塊的電流總是相等的，從而實現均流控制。

1.3 平均電流法（自動均流）［3］

平均電流法是指各并聯模塊的電流放大器輸出端a通過一個電阻R接到公用均流母線上，如圖1所示。U’r是基準電壓Ur和均流控制電壓Uc的綜合，它與反饋電壓Uf進行比較放大后，產生誤差電壓Ue控制PWM及驅動器。均流母線電壓Ub與每個電源模塊的采樣電壓信號比較后通過調節放大器輸出一個誤差電壓，從而調節模塊單元的輸出電流，達到均流的目的。

平均電流法可以精確地實現均流，但具體應用時，當均流母線發生短路，接在母線上的任一個模塊不能工作時，母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調，甚至達到其下限值，結果造成電源系統故障［6］。

圖1 平均電流法原理圖

1.4 最大電流法［3］

最大電流法是在n個并聯的模塊中，輸出電流最大的模塊自動成為主模塊，其余的模塊為從模塊，其電壓誤差依次被整定，如圖2所示。最大電流法與平均電流法的區別僅在于將連接在電流放大器和均流總線之間的電阻用二極管（令a點接二極管陽極，b點接陰極）代替。這時均流母線上的電壓Ub反映的是各并聯模塊的Ui中的最大值。由于二極管的單向性，只有電流最大的模塊，二極管才導通，a點才能通過二極管與均流母線相連。如果某個模塊電流突然增大，成為n個模塊中電流最大的一個，于是Ur上升，該模塊自動成為主模塊，其它各模塊為從模塊。這時Ub＝Umax，而各模塊的Ui與Ub比較，通過調整放大器調整基準電壓，自動實現均流。

圖2 最大電流法原理圖

1.5 強迫均流法［7］

所謂強迫均流，就是通過監控模塊實現均流。實現方式主要有軟件控制和硬件控制兩種。本文使用微控制器實現動態均流控制，即采用軟件控制的方法實現［8］。

圖3 系統控制板部分電原理圖

2 系統設計

本文所設計的具有均流功能的控制系統選用STC10F04XE作為系統的微控制器。STC10F04XE監控3路電流，每一路都是由模數轉換集成電路和數模轉換集成電路構成的閉環系統，微控制器對其進行統一的控制，控制板部分電路如圖3所示。工作原理如下：在均流功能控制板試驗箱上采用3只功率管Q1～Q3并聯使用，電流分別從電阻R1～R12取樣，取樣的電流值分為2路，一路作為3個三位半的LED數字顯示表頭驅動信號；另一路通過AD0804模數轉換集成電路IC2、IC3、IC4及外圍電路，把取樣電流的模擬量轉成微控制器可識別的數字信號，然后送到STC10F04XE，通過STC10F04XE的片選，把3路取樣的電流值分別暫存在STC10F04XE的存儲器內。STC10F04XE根據軟件運行的結果，通過控制MOS管的柵極電壓來改變漏源級的電流。

3 軟件設計［9，10］

本系統所采用的算法不是以某一個設定值作為數據判斷的依據，而是將三路采樣值進行排隊，挑選出最大值和最小值，并對它們進行比較，如圖4。如果采樣的最大值和最小值的偏差在某一設定的標準值內，微控制器就不發出控制信號；若某一路的電流值偏差超過設定的標準值，不論是偏大或是偏小，微控制器通過判定、計算發出對這一路修正后的數字控制信號，先把它暫存在74HC373的8位鎖存器內，即IC6、IC8、IC10，然后傳送到DAC0832數模轉換集成電路IC7、IC9、IC11，把數字控制信號轉成電流模擬量，再通過LM324運算放大器IC1把電流模擬量轉成電壓模擬量，通過三極管Q7、Q8和Q11來控制該路MOS管的柵極電壓，通過閉環控制系統，使得經過其漏源級的電流得到人為調整。STC10F04XE重復上述的掃描、比較步驟，隨時把修正后的數字控制信號送到鎖存器內，不斷更新鎖存器內的數字控制信號，直到它們的最大值和最小值差值小于設定值為止，STC10F04XE就不再對它們送出控制信號。由鎖存器通過數模轉換電路，通過晶體管使MOS管的柵極電壓穩定下來，因此，電流值也得以穩定。

圖4 程序主流程圖

4 實驗結果

本系統工作10 min后，在不同工作電流下測量得到數據如表1所示。采用強迫均流法控制的系統，每個模塊的工作電流近似于系統平均負載電流，均流誤差小于5%。

5 結束語

系統還設有鍵盤和顯示電路，使用者通過顯示屏能清楚地觀察系統當前的工作電流，用按鍵實現快速修改參數，方便了用戶的使用。該系統使用微控制器作為主控器件，只需修改軟件，即可實現快速改變控制方案，而無需對硬件電路進行任何變動，因此采用該方案進行的均流控制能更好地滿足工程上的需要。

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