模塊化開關電源組合特性測試研究

吳琛浩，岳繼光，劉志剛

（同濟大學 電子與信息工程學院控制系，上海 201804）

開關電源產品被廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、半導體制冷制熱、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備和數碼產品等領域[1]。

采用模塊化電源可以組合成為分布式供電系統，成為N+M的冗余電源系統，實現基于并聯方式的容量擴展和基于串聯方式的電壓擴展[2]。

1 模塊化開關穩壓電源的組合特性

在此，以AC/DC電源為例，研究單個開關電源的組合特性。

1.1 模塊化AC/DC穩壓電源的主要特性

模塊化AC/DC穩壓電源特性一般包括額定輸出電壓、紋波噪聲、輸入調整率、輸出調整率、穩定度、過載保護以及動態響應等諸多性能[3]。

額定輸出電壓輸出電壓準確度指開關電源正常工作時的直流輸出電壓的波動范圍，通常不超過額定輸出上下5%的范圍。

輸入調整率輸入調整率源自電源在帶動負載時，電源的輸出電壓因輸入電壓波動所引起的變化。在規定的輸入電壓變化范圍內一般不大于5%。開關電源輸入調整率為

式中：ΔU為輸出電壓的變化量，ΔU=U-U1；U為空載電壓；U1為輸入電壓在規定要求范圍變化時的額定負載輸出電壓。

輸出調整率電源輸出側負載的變化會引起電源輸出的變化，開關電源的性能越好，由負載的變化所引起的輸出電壓變化越小，通常開關電源的輸出調整率指標為3%～5%。其表達式為

式中：U1為負載變化時的輸出電壓。

1.2 模塊化AC/DC穩壓電源的組合特性

模塊化的直流穩壓電源能夠根據負載需要進行并聯、串聯和混聯組合，可以避免設計與制作多種標準的穩壓電源。

1）并聯組合常用于增大供電電流，理想情況下并聯后的特性為

額定供電電壓及總電流

輸入調整率

輸出調整率

2）串聯組合常用于提高供電電壓，理想情況下串聯后的特性為

供電電壓及總電流

輸入調整率

輸出調整率

3）混聯組合常用于滿足同時增大供電電流、提高供電電壓的電源系統需求。理想情況下混聯后的特性為

供電電壓及總電流

2 試驗研究

2.1 樣本電路

樣本電路選擇基于VIPER22A驅動芯片的220 V AC/5 V DC單端反激式開關電源電路[4]。該電路輸入電壓范圍寬，可以保證輸入電網電壓在較寬的范圍內出現波動時，開關電源仍然可靠、穩定工作。在有效負載范圍內，輸出電壓可保持在在4.8～5.2 V，紋波噪聲不大于150 mV[5]。其電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理Fig.1 Principle block diagram

2.2 占空比計算

所研究的反激式開關電源的交流電源輸入范圍為100～225 V，經全橋整流、濾波后得到直流電壓，其最大值、最小值分別為286 V和147 V。最大占空比為[6]

式中：Vor為次級反射到初級的反射電壓，可選135 V；Vds為VIPER22A的通態電壓，選擇5 V。代入式（13），可得

2.3 試驗環境與試驗儀器

測試在常溫22℃下進行，試驗原理如圖2所示[7]。使用以下儀器：Tektronix TDS 1002雙通道示波器，觀察開關電源的紋波大小；FLUKE DUAI 5位半萬用表，測量開關電源在不同情況下的輸出電壓；91L16交流自耦調壓器，改變開關電源的交流輸入電壓以測試輸入調整率。

圖2 試驗原理Fig.2 Block diagram of experiment

2.4 單塊開關電源特性試驗

2.4.1 穩壓輸出

測試時，AC/DC開關電源電路交流輸入端接220 V市電，分別測試編號1～3的AC/DC開關電源電路的空載輸出，如表1所示。

表1 電源穩壓輸出及紋波Tab.1 Power supply regulator output and ripple

單塊開關電源的電源準確度均＞99%，紋波系數不高于1%，該開關電源輸出精度符合要求，可以進行后續試驗測試。

2.4.2 輸入調整率

測試時，AC/DC開關電源電路交流輸入端接交流自耦調壓器，輸出端接5 Ω額定負載，多次調節交流自耦調壓器的輸出，分別測試編號1～3的AC/DC開關電源電路的輸出電壓，測試數據如表2所示。

表2 輸入調整率λinTab.2 Input adjustment rate

2.4.3 輸出調整率

測試時，AC/DC開關電源電路交流輸入端接220 V市電，通過改變開關電源電路輸出端的負載，分別測試編號1～3的AC/DC開關電源電路，在不同負載情況下的輸出電壓，測試結果如表3所示。

表3 電源輸出調整率λoutTab.3 Power output adjustment rate

2.5 串聯組合

多個開關電源單體經串聯組合后，性能相對于開關電源單體而言，會產生一定的變化。在此，基于單塊開關電源的特性分析，測試不同數量開關電源單體的串聯組合特性，測試結果如表4所示。

開關電源串聯總電壓與分壓情況（負載15 Ω）：

表4 電源串聯輸出調整率λout0Tab.4 Power series output adjustment rate

開關電源串聯后，測試結果顯示較之開關電源單體，具有更好的輸入調整，如表5所示。

表5 電源串聯輸入調整率λin0Tab.5 Power series input adjustment rate

開關電源串聯后，組合電源系統在獲得電壓擴展的基礎上，具有更優的輸入調整率和輸出調整率。

2.6 并聯組合

開關電源并聯組合對開關電源單體的性能要求較高，要求開關電源單體間的輸出特性保持較高的一致性。

性能一致的電源單體通過并聯組合向負載供電時，在沒有主動配流技術支撐的情況下，一旦有電源單體的帶負載能力達到極限而失效，會導致整個組合電源系統的失效。基于此，分別測試了不同數量開關電源單體的并聯組合特性，測試結果如表6所示。

表6 電源并聯輸出調整率λout0Tab.6 Power parallel output adjustment rate

開關電源并聯總電流與分流情況（負載5 Ω）：

開關電源并聯后輸出調整率的改善效果更加明顯。相同負載情況下，當3塊開關電源并聯時，3塊開關電源近似均勻分流，弱化了開關電源單體間性能的差異性。開關電源并聯后，輸入調整率基本保持不變，較之單塊開關電源具有更好的輸入調整率，如表7所示。

表7 電源并聯輸入調整率λin0Tab.7 Power supply parallel input adjustment rate

開關電源并聯后，電源系統具有更優的輸入輸出特性；而且并聯的電源單體數量越多，分流越均勻。

2.7 混聯組合

混聯組合是指分布式電源系統同時存在串聯和并聯結構。有必要研究此類更加復雜的組合電源的特性。

試驗設計為2個開關電源單體并聯后再串聯第3個開關電源單體（即編號1和3并聯，再與編號2串聯）。測試結果如表8、表9所示。

混聯分壓、分流情況：

表8 1，2，3混聯的電源特性Tab.8 Hybrid power source

表9 混聯分壓、分流Tab.9 Mixed partial pressure，bypass flow

多個開關電源單體混聯后，相對于單一的串聯或并聯組合電源系統，具有更優的分流、分壓特性。

3 結語

本系統可用于野外作業、海底觀測網絡、航天器產品等一類特殊環境下分布式組合供電系統。以衛星電源為例，其供電系統常采用模塊化電源組合供電，為衛星的推進、控制等系統提供所需能量，模塊化設計與按需組合還具有減少成本，縮短研制周期，維護性好等優點。隨著空間科學技術的飛速發展，微衛星、偽衛星、方塊衛星以及細胞衛星均需要可靠、安全、一致性高的電源模塊。研究模塊化電源的組合特性，可為模塊化電源設計、測試、優化提供參考依據。

[1]周志敏，周紀海.開關電源實用技術——設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]趙同賀，劉軍.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]何佳，張煜盛.電流型PWM控制器UC3844及其在微機電源中的應用[J].電子工程師，2005，31（1）：42-46.

[4]潘騰，林明耀，李強.基于TOP224Y芯片的單端反激式開關電源[J].電力電子技術，2003，37（2）：20-22.

[5]何艷麗，陳鳴，王克城.基于UC3844的反激式穩壓電源的設計及分析[J].電源技術應用，2008，11（4）：17-21.

[6]馬洪濤，沙占友，周芬萍.開關電源制作與調試[M].北京：中國電力出版社，2010.

[7]張久亮，郭前崗，周西峰.基于Viper22的單端反激式開關電源設計[J].電源技術，2014，38（9）：1733-1734，1761.