一種低壓大電流直流電源的輸出電壓補償設計

謝記華，張錦鵬，王金芳

（洛陽電光設備研究所 河南 洛陽 471009）

近年來，隨著電子技術的快速發展，低電壓大電流電路使用越來越廣泛，成為未來電源行業發展的主要趨勢。低電壓大電流工作有利于降低開關管上的整體功耗，有利于提高工作電路的整體功率從而可以大大提高電子設備的可靠性[1]。

但是，由于輸出電壓較低、傳輸線上輸出電流較大，會導致傳輸線上的壓降較大，這樣就使得輸出電壓相同情況下輸出電流越大則從電源的輸出端到負載點的壓降就越大。壓降過大可能會導致后端的用電設備不能正常工作。因此，直流電源輸出電壓的負載穩定度（輸出負載點電壓在輸出從空載到額定電流輸出時隨著輸出電流的變化而引起的電壓變化率）是考核低壓大電流直流電源的一個重要指標。盡管目前的大功率DC-DC轉換器都具有遙感端（+S、-S），但能補償的電壓范圍很有限，一般為0.5 V，遠遠不能滿足輸出為大電流且遠距離傳輸時負載線上的線壓降。本文介紹一種基于VICOR DC-DC轉換器設計的輸入為220 VAC 50 Hz，輸出為5 V 600 A的直流電源的電壓補償技術。通過本文設計的電路，可以實現5 V 600 A負載電流遠距離傳輸時在空載和額定負載情況下負載點電壓值之差不高于20 mV的要求，使負載點電壓和DC-DC轉換器輸出端的電壓補償最大可以達到3 V。

1 原理圖

該補償電路的原理圖如圖1所示，圖中SC為DC-DC轉換器的SC管腳，-S為DC-DC轉換器的-S管腳。

圖1 控制電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of control circuit

2 元器件選擇與介紹

2.1 差分運放

圖1中N2為差分運放。差分運放的內部原理圖如圖2所示。其輸出電壓V o=V in+-V in-[2]。由于本電源采用5 V輸出電源本身供電，但采樣的負載點電壓信號是以-S為參考電壓地，且輸出負載點的參考電壓（即電壓采樣信號地）與-S由于電壓降的問題而不是一個電位。采用差分運放的情況下，可以采用負載點的電壓后，通過差分運放輸出后，差分運放的輸出電壓以-S為參考電壓。很好地解決了參考地不一致的問題。

圖2 N2內部原理圖Fig.2 Internal schematic diagram of N2

2.2 DC-DC轉換器介紹

本文介紹的DC-DC轉換器為VICOR第二代DC-DC轉換器V300A系列。VICOR DC-DC轉換器模塊采用低噪聲的零電流及零電壓開關架構，以及半導體功率組件封裝，降低了溫升，提高了功率密度。零電流及零電壓開關是Vicor模塊的核心技術，由于采用了這種技術，Vicor變換器的工作頻率可超過1MHz，功率密度相比第一代增加了三倍。內部電路系統全都灌膠密封，適合惡劣環境應用[3]。

本電路利用VICOR DC-DC轉換器模塊的電壓調節功能，通過負反饋控制電路，自動控制電源的輸出電壓，使采樣端的電壓穩定在一定值。

DC-DC轉換器模塊專門設置了電壓調節管腳SC，遙感端+S、-S。SC與-S之間的電壓（以下稱為Vsc）為基準電壓，內部電路如圖3所示。

圖3 DC-DC轉換器調壓內部電路Fig.3 The internal regulator circuit of DC-DCconverter

如果輸出電壓不需要調節，則SC與-S之間處于懸空狀態，此時V sc為1.23 V，對應DC-DC轉換器的輸出電壓為DC-DC轉換器的標稱值輸出電壓V b。DC-DC轉換器的輸出電壓V out與V sc成正比例關系變化，即V out=×V b。

當引腳SC與-S之間串入電阻R（單位kΩ）時，V sc電壓為V sc=×1.23，即V sc降低，輸出電壓V out相應降低，所以SC與-S之間接入的電阻叫下調電阻；若通過外部電壓和模塊內部的SC腳電路組成分壓系統，升高SC腳電壓V sc，即可升高輸出電壓V out[4]。

由此可以看出，通過調節SC腳電壓V sc，即可動態調節輸出電壓V out。

同時，輸出電壓補償的范圍并不是無限的，電源的最高輸出電壓不能超過選定DC-DC轉換器模塊的上調范圍。例如：在負載點想得到一定的輸出電壓V out，如果選擇標稱輸出V b的DC-DC轉換器模塊，那么電路所能補償的最大壓降為V b×1.1-V out，如果已知回路的傳輸壓降大于該差值，那么，負載點電壓就不能穩定在V out。此時，就需要選擇標稱輸出V b更高的DC-DC轉換器模塊。

2.3 電壓基準

圖1中V2為電壓基準，也叫可編程精密參考，一般做參考電壓或精密輔助電源使用。是一種三端可編程并聯穩壓二極管。可以如同低溫度系數穩壓管一樣使用，可以通過兩個外部電阻實現從VR～36 V的電壓輸出。其等效電路圖如圖4所示。在本文中主要是將參考電壓VR作為參考電壓使用。

圖4 TL431等效電路圖Fig.4 The equivalent circuit of TL431

2.4 元器件的選擇

圖1 中器件參數如表1所示。

表1 控制電路器件參數Tab.1 The device parameters of control circuit

電阻R3、R4及 RP1的確定：假設采樣電壓為 VOUT，運放供電電壓為Vo。

電阻 R3、R4及 RP1的選取原則是： 通過 R3、R4及 RP1分壓后，VOUT-VRP1+R3

電阻R1、R5的確定：R1與光耦V1的工作電流有關，起限流作用；電阻R5與V2的最小工作電流有關，TL431的K點電壓為VK=2.5 V，最小工作電流為1 mA，運放N1的供電電壓 V cc 為 5 V，即（V cc-VK）/R2≥1 mA[5]。

在圖1中，電路的運放大器可直接采用電源輸出供電；若輸出電壓過高或過低，負反饋控制電路部分需要外加輔助源供電，輔助源電壓根據運算放大器的工作電壓確定[6]。

3 工作原理

圖1中，由于輸出電流較大，則輸出負載點的地和DCDC轉換器的輸出端的地必定不是一個電位。N2為差分運放，該器件在此處的應用可以很好的解決這個問題。 圖中，電壓采樣信號接到需要穩壓的負載點。差分運放6腳的輸出電壓等于差分運放的3腳和2腳的電壓差，該電壓可以實時線性的反映輸出負載點的電壓值。N2的6腳輸出的電壓和TL431產生的基準電壓2.5 V進行比較，以此控制運算放大器N1的輸出電壓在高、低之間變換。采樣輸出電壓低于基準電壓時，N1輸出低電平，光耦V1截止，相當于在模塊的SC與-S直接加了一個阻值很大的下調電阻，則輸出電壓相當于進行的較小幅度的下調。

當采樣輸出電壓高于基準電壓時，N1輸出高電平，光耦V1導通，相當于給VICOR模塊提供一個很小的下調電阻，使輸出電壓進行較大幅度的下調。

如此往復，通過調節光耦V1的導通程度調節SC腳電壓V sc，相應調節電源輸出電壓，使電源處于一個動態平衡狀態，即可達到穩定輸出電壓的目的。

4 測試數據

通過具體電路對電壓補償電路的作用和效果進行驗證。試驗條件如下：

輸入電壓：220VAC±10%50 Hz；

輸出電壓及電流：5VDC 600 A；

負載穩定度：≤1%；

試驗中均采用1.5 m長輸出電纜，線徑滿足輸出電流要求。

分別對不加補償電路和增加補償電路的負載點電壓進行測試，測試數據如表2、表3所示。

通過表2、表3數據對比可以發現，不加補償電路時負載點電壓壓降很大，約1.4 V左右，負載穩定度較差，不能滿足實際使用要求。而增加補償電路后，大大降低了負載點壓降，將負載穩定度提高至0.1%。完全滿足電路較高的負載穩定度要求，尤其在低壓大電流輸出的電路中具有較高實用意義。

表3 加補償電路時負載點電壓測試數據Tab.3 The test data of load point voltage with compensation circuit

5 結 論

通過理論分析和試驗測試可以看出，該輸出電壓補償電路在低壓大電流傳輸時，可以起到非常好的補償效果。不僅可以提高電源的效率，而且可以大大提高電源的可靠性。

[1]張冰，邱進，何研.一種低壓大電流電源的研制 [J].通信電源技術，2009，26（1）：27-29.ZHANG Bing，QIU Jin，HE Yan.Development of a kind of low-voltage and high-current dc power supply[J].Communication Power Supply Technology，2009，26（1）:27-29.

[2]沙占友.開關電源外圍元器件選擇與檢測[M].北京：中國電力出版社，2014.

[3]徐海明.現代電源應用技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4]孫肖子.電子線路基礎[M].西安：西安電子科技大學出版，2009.

[5]江曉安.模擬電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版，2008.

[6]陳治明.電力電子器件基礎 [M].北京：機械工業出版社，1992.