一種分布式供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

航天科工慣性技術(shù)有限公司 張福亮 趙振江

引言

近年來，為系統(tǒng)提供電能的所有裝置作為一個統(tǒng)一的對象來研究又提出了電源系統(tǒng)的概念，即用于產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)備所需各種電源的裝置的總稱。電源系統(tǒng)主要由一次電源、二次電源、電能分配裝置、電源保護裝置及電源控制裝置等共同構(gòu)成。電源系統(tǒng)的提出，將原系統(tǒng)二次電源的概念擴展為“大電源”的概念，將電源的研究內(nèi)容擴展到能量變換、能量分配、供電的適應(yīng)性等范圍。

新型的分布式直流電源已經(jīng)得到行業(yè)發(fā)展的共識。分布式供電電源概念取自48V通信電源的應(yīng)用，近來，分布式電源又有了多種擴展方式，美國電源公司VICOR提出了VI-BRICK模式分布式電源，SynQor提出了BUCK穩(wěn)壓和交錯并聯(lián)推挽相結(jié)合的兩級分布式供電方式。

因此，對分布式供電方式在集中供電系統(tǒng)中的應(yīng)用進行研究，不僅可解決存在一些問題，同時分布式供電的方式可較好地適應(yīng)電源系統(tǒng)這個概念，加強對能量分配、能量控制等方面的技術(shù)水平。

1.分布式供電

1.1 分布供電方式

該供電方式采用數(shù)字控制技術(shù)與模擬技術(shù)相結(jié)合的方式，既具有數(shù)字控制的靈活性，又式兼有模擬控制特有的動態(tài)特性，如圖4所示。

圖1 分布式供電方式組成框圖

如圖2所示，該電源結(jié)構(gòu)框圖主要包括四部分，分別為預(yù)穩(wěn)壓電路單元、功率分組電路單元、數(shù)字化控制單元、負載端穩(wěn)壓電路單元。

預(yù)穩(wěn)壓電路單元將一定范圍內(nèi)的輸入電壓穩(wěn)定在比較精確的某一定設(shè)定值，作為后級功率分組電路單元的輸入總線。

功率分組電路單元按照負載對供電特性的需求，將總線恒定電壓進行隔離分組，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的電壓輸出。

控制單元采用全數(shù)字化設(shè)計，利用電源專用的高速DSP對預(yù)穩(wěn)壓電路以及功率分組電路進行輸出采樣并閉環(huán)控制，同時通過信號線控制負載端穩(wěn)壓電路單元的啟動時序。

負載端穩(wěn)壓電路單元將功率分組單元輸出的隔離電壓進行精確穩(wěn)壓，提供給負載電路板使用。由于該電路單元放在負載電路板上，可以提供給負載更好的電源特性。

1.2 電源特性比較

僅從電源的性能將分布式供電與傳統(tǒng)供電進行標校，傳統(tǒng)集中式供電電源中以動態(tài)響應(yīng)快、成本低、適應(yīng)性好的單端反激結(jié)構(gòu)電路為比較對象，有關(guān)情況見表1。

表1 傳統(tǒng)供電與分布式供電比較

2.電源設(shè)計

電源設(shè)計采用數(shù)字控制與模擬控制相結(jié)合的方式，預(yù)穩(wěn)壓電路、隔離電路采用全數(shù)字控制方式，可以最大化的提高效率。負載端穩(wěn)壓電路采用模擬控制，最大限度的在負載端提高電源動態(tài)特性。

下文分別介紹各功能模塊的工作原理以及電路設(shè)計。

2.1 預(yù)穩(wěn)壓電路單元

預(yù)穩(wěn)壓組件主電路采用改進型的升降壓四開關(guān)電路，該穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入輸出同極性、共地。當(dāng)輸出電壓和輸入電壓相近時，工作效率最高，為后級功率變換器提供小范圍波動的直流電壓。

主電路中包括四只開關(guān)器件、濾波儲能電感、輸入輸出濾波電容，以輸入15-50V，額定28V，預(yù)穩(wěn)壓輸出為28V為設(shè)計對象。

主電路有三種工作模式，根據(jù)不同的輸入電壓進行不同模式的控制，控制方式見表2。

表2 三種工作模式

以基于LT3703模擬芯片的四開關(guān)電路為例，該芯片內(nèi)置的控制方式與本文數(shù)字化控制方式相同，效率達到95%。

2.2 功率分組電路單元

功率分組電路單元采用正激推挽拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)簡單，外圍元器件少、成本低，更方便對負載功率進行檢測。

功率分組電路對預(yù)穩(wěn)壓組件提供的直流電壓進行交流變換、整流，最終實現(xiàn)變壓、隔離功能。隔離變壓器采用多繞組輸出設(shè)計，根據(jù)負載電源需求以及變壓器繞制技術(shù)，選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩鞔判具x型以及繞制方式。

功率器件交替開通，占空比為50%，該組件控制采用開環(huán)控制。為提高組件功率變換效率，在變壓器設(shè)計中避免采用副邊全波整流的耦合方式，變壓器采用推挽輸出方式，副邊采用半波整流，減少整流二極管數(shù)量，提高效率。采樣電阻實現(xiàn)對原邊電流的采樣，并傳遞給控制電路板，中央控制器監(jiān)測該信號確定變壓器工作狀態(tài)，可以有效去除變壓器偏磁引起的故障模式，并通過判定該電流信號確定負載工作狀態(tài)，實現(xiàn)變頻控制，提高效率。

以基于SG1525的開環(huán)控制功率分組電路為例，芯片外圍設(shè)定與與本文數(shù)字化控制方式相同，效率達到96%。

2.3 負載端穩(wěn)壓電路單元

負載端穩(wěn)壓電路單元是最接近負載電路的供電部分，該單元主電路采用BUCK同步整流電路，實現(xiàn)對電源輸出的精確穩(wěn)壓功能。該拓撲結(jié)構(gòu)需要較小的波電感，能夠精確控制輸出電壓，具有良好的動態(tài)特性，同時該電路電磁兼容性好，更適合進行模塊化設(shè)計，方便與目標負載板的連接，原理圖見圖2。

圖2 負載端穩(wěn)壓電路主電路原理圖

主電路中包括場效應(yīng)管V1、V2、濾波電容C1、C2以及濾波電感L1，R1和R2為輸出采樣電阻，為控制芯片提供精確的輸出采樣電壓。

控制部分采用高效控制芯片TPS40057，該芯片通過外圍阻容可以實現(xiàn)限流、軟啟等擴展功能。該款芯片輸入電壓范圍為8-40V，完全能夠滿足當(dāng)前電源中5V、15V、18V等電壓類型輸出。BUCK變換器采用最小化式電路板設(shè)計，插針固定，方便在目標負載板上進行插拔連接，效率達到96。

2.4 控制電路

控制電路完成對預(yù)穩(wěn)壓電路、隔離電路、負載端穩(wěn)壓電路三部分的控制。該部分采用以電源專用控制芯片TI公司提供的高速DSP型 MS320F2812PGFA（簡稱為2812）作為核心控制核心，2812外接30MHz晶振，內(nèi)部進行五倍頻，最高工作頻率150MHz，可以進行復(fù)雜的控制算法設(shè)計，其內(nèi)部集成高速PWM外設(shè)、高速16通道AD轉(zhuǎn)換器、豐富的I/O端口以及集成高速CAN通訊模塊。

2812作為一款電源控制專用芯片，技術(shù)成熟，當(dāng)前已經(jīng)在交流電源中廣泛應(yīng)用。其內(nèi)部集成的事件管理器A（EVA）、事件管理器B（EVB）專門用作多開關(guān)的電源控制，內(nèi)部具有多組邏輯互補的控制信號，更兼有死區(qū)控制功能，設(shè)置簡單方便。

2.4.1 預(yù)穩(wěn)壓電路控制

由于預(yù)穩(wěn)壓電路輸入輸出電壓均為直流量，設(shè)計簡單的分壓電阻取樣電路，分壓取樣信號進入2812內(nèi)部高速AD，2812根據(jù)采樣信號對預(yù)穩(wěn)壓電路進行閉環(huán)控制，并通過EVA對開關(guān)器件進行控制，控制流程圖見圖3。

圖3 預(yù)穩(wěn)壓電路控制流程圖

2.4.2 功率分組電路控制

功率分組電路控制采用開環(huán)控制，通過設(shè)定死區(qū)，使得占空比基本接近50%。同時，利用2812內(nèi)部集成AD對推挽原邊電流進行采樣，同時利用上一級預(yù)穩(wěn)壓電路的直流輸出，可以計算出系統(tǒng)所需求的總功率。

在直流電源中，功率損耗主要包括變壓器的高頻磁損和開關(guān)器件的高頻驅(qū)動損耗，為提高整套電源系統(tǒng)工作效率，對隔離電路進行工作頻率控制。由于在變壓器型號確定的情況下，電源的輸出功率與工作頻率成近似反比關(guān)系。當(dāng)電源工作在輕載時，適當(dāng)降低工作頻率，可以達到輕載高效的節(jié)能工作模式，該工作模式對于有限空間內(nèi)的電源來講，是非常有必要的，控制流程圖見圖4。

為防止功率分組電路在頻率跳躍時造成系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定或者其他干擾，在功率判定選擇工作頻率時需要增加滯環(huán)環(huán)節(jié)，該部分在程序判定中實現(xiàn)。

圖4 隔離電路控制流程圖

2.4.3 負載端穩(wěn)壓電路工作時序控制

隨著功能的逐漸增加，對電源輸出路數(shù)有了更多的要求，相應(yīng)的各路電源間的啟動時序也成為必須解決的問題。以往的集中式直流電源往往通過模擬電路中的供電控制、環(huán)路響應(yīng)等實現(xiàn)對啟動時序的控制，這種控制方式的一致性較差，反過來又會帶來各路電源動態(tài)特性的差異。

采用數(shù)字化智能控制，方便的對各路電源的啟動時序進行控制，而并不影響正常工作時的動態(tài)響應(yīng)。

3.結(jié)論

基于數(shù)字控制與模擬控制相結(jié)合的分布式供電方式，在效率、可靠性、靈活控制等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式供電電源，該功率構(gòu)架對抗浪涌抑制方面有較好效果，在多路復(fù)雜供電系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

[1]張興柱.開關(guān)電源功率變換器拓撲與設(shè)計[M].中國電力出版社,2010.

[2]LTC3780數(shù)據(jù)手冊.