何麗 王曉東 張恒輝

（中國電科第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

分布式電源系統(tǒng)是電源系統(tǒng)的發(fā)展方向之一,實現(xiàn)途徑是將多個中小功率電源模塊并聯(lián)共同承擔(dān)大功率的輸出。可通過改變并聯(lián)電源模塊的數(shù)量來滿足負載的大功率要求。并可方便實現(xiàn)電源的冗余，有利于提高電源系統(tǒng)可靠性。

電源并聯(lián)運行時，由于各單元電源模塊輸出電壓不完全相同，輸出阻抗也不一致，若直接并聯(lián)，會使其承受不均衡負載，導(dǎo)致電流應(yīng)力和熱應(yīng)力分配不均發(fā)生故障。須采取均流措施來均衡各個電源模塊的輸出電流，達到輸出電壓、輸出電流、輸出功率擴展和保證應(yīng)力的均勻分布的目的。“均流”的問題，解決方法的不同，對整個電源擴展系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性都有很大的影響。

均流措施的主要任務(wù)是：

（1）當(dāng)輸入電壓或負載變化時，每臺電源的輸出電壓保持穩(wěn)定，并具有良好的負載瞬態(tài)響應(yīng)特性；

（2）使個電源模塊承受的輸出電流均攤；

（3）使均流與冗余技術(shù)結(jié)合。

2 幾種均流方法簡介

DC/DC 電源并聯(lián)常見的均流方法有：輸出阻抗法、平均電流自動均流法、熱應(yīng)力自動均流法、主從設(shè)置法、自動主從法（最大電流自動均流法）等。

2.1 輸出阻抗法

輸出阻抗法,是在小電流時電流分配特性差，隨著電流的增大，分配特性會有所改善，但仍不平衡，且以犧牲電壓調(diào)整率來個別調(diào)整每個模塊達到均流。此法可應(yīng)用在小功率、均流精度要求較高的場合，對于額定功率不同的并聯(lián)模塊，難以實現(xiàn)均流。

2.2 平均電流自動均流法

平均電流自動均流發(fā)法是指均流環(huán)參考電壓為各模塊電流的平均值，其值反映在均流母線b 的電壓上，如圖1 所示。R 為均流電阻，均流母線電壓與每個電源模塊的采樣電壓信號比較后，通過調(diào)節(jié)放大器輸出1 個誤差電壓，從而調(diào)節(jié)單元模塊的輸出電流，達到均流目的。若R 上不為零時，表明模塊間電流分配不均衡，需通過均流環(huán)調(diào)節(jié)來達到均流目的，若R 上的電壓為零，表明這時已實現(xiàn)均流。平均電流自動均流發(fā)法可以精確地實現(xiàn)均流，但具體應(yīng)用時，也存在著缺點，例如當(dāng)均流母線發(fā)生短路或當(dāng)接在母線上的任一個模塊不能工作時，母線電壓下降，促使各模塊電壓下調(diào)，甚至下調(diào)至其下限值，造成電源系統(tǒng)故障。

圖1：平均電流自動均流法

圖2：均流IC 內(nèi)部原理圖

圖3：基于L6615D 的N 個電源模塊并聯(lián)應(yīng)用圖

2.3 熱應(yīng)力自動均流法

熱應(yīng)力自動均流法按每個模塊的電流和溫度(即熱應(yīng)力)自動均流，每個模塊的電流和溫度決定了模塊間的均流的程度。電源系統(tǒng)中各模塊溫度存在差異，原因是各并聯(lián)模塊在電源中的位置不同，對流情況和散熱等外界條件各不相同，在設(shè)計電源時，應(yīng)用此法的好處是可以不必考慮各模塊的布置情況，但此法因溫度變化和電流之間的關(guān)系不能精確對應(yīng)，故應(yīng)用較少。

2.4 指定主從設(shè)置法

指定主從法不存在均流環(huán)，而是在并聯(lián)的多個變換器中，指定其中一個為主模塊，其余為從模塊。從模塊的電壓誤差信號均為主模塊的電壓誤差信號，利用電流型控制實現(xiàn)均流。指定主從法均流精度很高，存在的最大問題是主模塊的不可替代性，其出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)將完全癱瘓，不適用于冗余并聯(lián)系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)在統(tǒng)一的誤差電壓控制下，任何非負載電流引起的誤差電壓的變化都會引起各并聯(lián)電源模塊電流再次分配，從而降低均流精度。電壓環(huán)的帶寬大，易受外界噪聲干擾。

2.5 自動主從均流法

自動主從均流法又稱為最大電流自動均流法（相對于指定主從法而言），是自動設(shè)定主電源模塊和從電源模塊的方法，在N 個并聯(lián)的DC/DC 電源模塊中，輸出電流最大的電源模塊被自動確定為主模塊，其余的電源模塊則為從模塊。

主模塊確定與其輸出電流成比例的均流總線電壓，而從模塊以均流總線電壓為基準，電壓誤差依次被整定，通過增加自身的電流輸出以校正負載電流分配的不均衡，達到每個模塊負載均衡的目的。采用這種方法可以較好地實現(xiàn)冗余，不會因某一個模塊的故障而影響整個系統(tǒng)的運行。自動主從法以其均流精度高，負載調(diào)整率高，動態(tài)響應(yīng)好，可實現(xiàn)冗余等技術(shù)特點，越來越受到廣泛應(yīng)用。

3 支持自動主從均流法均流控制IC的功能介紹

以下主要介紹采用自動主從均流法設(shè)計并聯(lián)電源系統(tǒng)的方法，此法基于均流控制器L6615D。其為一款用于高、低電位端負載電流檢測的均流控制集成電路芯片。該芯片是一款工作于主/從均流控制方式的集成電路，具有完全滿足遠程輸出電壓檢測、失調(diào)電流小、工作電壓范圍寬等優(yōu)點。內(nèi)部有多個精密運算放大器組成，如輸出電流檢測放大器、誤差放大器、調(diào)整放大器、均流驅(qū)動放大器等，如圖2。隨著電源的發(fā)展，均流控制芯片也有較大的改進。L6615D是ST 公司推出的負載分配控制器。

L6615D 的功能是驅(qū)動共享到總線一個與主輸出電流成比例的電壓，該主輸出電流是由并聯(lián)電源提供的輸出電流中最高的，對應(yīng)的電源模塊成為主模塊。共享總線動態(tài)與電源輸出電壓無關(guān)，僅受設(shè)備電源電壓(Vcc)的鉗制。其他并聯(lián)電源模塊，成為從模塊，其輸出電壓由ADJ 引腳進行調(diào)整，使他們可以支持負載電流。從模塊作為電流控制的電流源工作。

此外，并聯(lián)供應(yīng)體系結(jié)構(gòu)允許實現(xiàn)冗余;可以容忍其中一個模塊的故障，直到剩余電源的能力足以提供所需的負載電流。

IC 控制器L6615D 通過添加外部組件，實現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)中并行、獨立的電源模塊的負載共享。電流共享是通過所有平行模塊的普通單線連接(共享總線)來實現(xiàn)的。

L6615D 均流控制器，SO8 表貼封裝，適用于PCB 表貼工藝，共8 個引腳，引腳功能介紹如下（結(jié)合圖2）：

CS-：電流感應(yīng)放大器的輸入；它通過一個電阻RG2連接感應(yīng)電阻的負端。

CS+：電流感知放大器的輸入；它通過一個電阻RG1連接感應(yīng)電阻的正極：它的值定義了ICGA和VSENSE之間的跨導(dǎo)增益(RG1與RG2值相同)。

ADJ：調(diào)節(jié)放大器輸出；它連接電源模塊的輸出正感應(yīng)端，同時通過電阻RADJ連接電源系統(tǒng)的負載（+OUT）。調(diào)整放大器輸出的誤差信號用于驅(qū)動緩沖三極管。誤差電壓用來調(diào)整模塊電源的輸出電壓，以平衡所有并聯(lián)模塊電源的負載電流，這是通過控制器內(nèi)置的調(diào)整放大器和用于調(diào)節(jié)的緩沖三極管和下拉電阻來實現(xiàn)的。通過誤差信號IADJ改變RADJ上的電壓來調(diào)節(jié)模塊電源的輸出電壓， 從而實現(xiàn)模塊電源間的均流。

COM：電流共享誤差放大器的輸出和ADJ 放大器的輸入。有典型用法是位于該引腳和接地之間加一個補償網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部地最大電壓被鉗位在1.5V (典型值)。

SН：均流總線引腳。在從模塊工作時時，該引腳作為共享總線的正輸入。在主模塊工作時，它驅(qū)動共享總線到一個與負載電流成比例的電壓。共享總線連接所有并行模塊的SН 引腳。該引腳和GND 之間的電容可以有效地降低共享總線上的噪聲。

CGA：電流增益調(diào)整器；電流感應(yīng)放大器輸出。連接在該引腳和GND 之間的電阻定義了共享總線上的最大電壓并設(shè)置了電流共享系統(tǒng)的增益。

VCC：控制器的供電電壓。

GND：輸出地。

4 基于L6615D的典型應(yīng)用電路及各關(guān)鍵單元原理

4.1 L6615D典型應(yīng)用電路

典型的應(yīng)用如圖3 所示，為輸出正高測感應(yīng)連接應(yīng)用圖，N 個并聯(lián)電源模塊(1 到N)：每個模塊必包含4 個引腳：2 個是電源輸出(+OUT， OUT)，2 個時遙感信號(+ OUT_S ，-OUT_S)。

在電源線上放置感測電阻RSENSE (用于感應(yīng)電流)和防倒灌冗余保護二極管V(為了避免任意一個模塊的故障導(dǎo)致負載短路)。

L6615D 實現(xiàn)自動主從電流共享架構(gòu):每個電源模塊與一個L6615D 相關(guān)聯(lián)，所有這些均流控制器的均流總線相互連接，回線為公共地線。

為了配置負載均流控制器，圖3 中外部元件的參數(shù)根據(jù)公式來設(shè)置。4.2 和4.3 詳細介紹了電路中幾個關(guān)鍵部分工作原理。

4.2 電流感應(yīng)部分

串聯(lián)在輸出正的感應(yīng)電阻RSENSE用于產(chǎn)生電壓降，其與負載電流成比例，由L6615D 的電流感應(yīng)放大器測量，L6615D 的輸入引腳（引腳2 和3）通過兩個相同的電阻（RG1和RG2）與RSENSE 連接。圖2 中的電流感應(yīng)放大器CSA 由兩個部分組成，詳見圖4，一個負責(zé)高側(cè)感測，另一個負責(zé)低側(cè)感測。內(nèi)部比較器根據(jù)CS+引腳處的電壓激活相應(yīng)的部分，如果該電壓高于典型值1.6V，則高側(cè)感應(yīng)部分將被激活（圖4a），否則低側(cè)感應(yīng)部分將會被激活（圖4b）。簡單起見，考慮RG1=RG2=RG。

由于感應(yīng)放大器輸入端存在電壓降IOUT*RSENSE，其輸出將被電流鏡像為：a）高側(cè)感應(yīng)時CS+引腳下沉電流（忽略輸入偏置電流，沒有電流流過CS-引腳）；b）低側(cè)感應(yīng)時CS 引腳的源電流（忽略輸入偏置電流，沒有電流流過CS-引腳）。

在閉環(huán)條件下：

（ICS+在高側(cè)，ICS-在低側(cè)）然后被內(nèi)部鏡像，并發(fā)送到CGA引腳，導(dǎo)致RCGA 外部電阻下降，兩個內(nèi)部緩沖區(qū)傳輸VCGA信號至共享引腳上，所以：

圖4

L6615D 的VCC 的值限制了CGA 和SН 引腳的高電壓，獨立于當(dāng)前感應(yīng)引腳的電壓。

實際電路中可以將兩個小容量的電容器連接在電流感應(yīng)引腳和接地之間，用來濾除電流感應(yīng)放大器輸入端的信號的噪聲。

4.3 均流驅(qū)動部分，誤差放大器和調(diào)整放大器

參見圖4，電流感應(yīng)放大器（CGA 引腳）的輸出與均流驅(qū)動放大器（SН 引腳）的輸出之間的增益典型值為1，因此，對于主電源模塊，VCGA=VSН；均流總線上的電壓由主電源模塊提供。在從電源模塊中，當(dāng)VCGA（從級）< VCGA（主級）時，均流驅(qū)動放大器輸出端的二極管（見圖4）將該放大器的輸出與均流總線隔離。

均流感應(yīng)放大器（SSA）讀取總線電壓，將其輸出的信號傳輸?shù)秸`差放大器的同相輸入端，并與CGA 電壓進行比較。

當(dāng)控制器L6615D 作為系統(tǒng)的主模塊的主控制器時，E/A 輸入之間的電壓差為零。為了保證在這種情況下輸出低電平，誤差放大器的反相輸入端串聯(lián)插入一個40mV 的偏移量。而在從電源模塊中，輸入電壓差正比于主負載電流和從負載電流的差。跨導(dǎo)E/A 將輸入的電壓差Δ V 轉(zhuǎn)換為等效的電流：IOUT= GMΔV，流動在COMP 引腳和地之間的補償網(wǎng)絡(luò)。

E/A 輸出電壓驅(qū)動調(diào)整放大器從連接到輸出電壓的ADJ 引腳通過一個小電阻沿感應(yīng)路徑來衰減電流。被ADJ 引腳衰減的電流偏離了從電源模塊的反饋路徑，阻止其增加占空比。

5 應(yīng)用L6615D的并聯(lián)均流電路設(shè)計實例

5.1 電路設(shè)計

以2 臺額定輸入電壓28V、輸出直流電壓5V、并聯(lián)電源系統(tǒng)的輸出負載為60A，即每路輸出承擔(dān)負載為電流30A 的電源模塊并聯(lián)工作為例，應(yīng)用L6615D 均流控制器進行設(shè)計，電路如圖5 所示。電源模塊設(shè)計的反饋電路參數(shù)固定不可變，采用的電源線高測感應(yīng)的方案，設(shè)計中L6615D 的工作電壓和冗余保護電路需另設(shè)計供電電路提供，或由電源系統(tǒng)中的其他電源模塊提供，典型應(yīng)用電路圖3 中的ORing 二極管選擇以MOSFET 場效應(yīng)管為關(guān)鍵器件的冗余保護電路替代。即，此設(shè)計可分為均流電路和冗余保護電路兩部分；均流電路需確定電源模塊和L6615D 的外圍電路參數(shù)，須準確設(shè)定電流檢測電阻RSENSE、調(diào)整電阻RADJ、增益調(diào)節(jié)電阻RCGA，補償電容CC、補償電阻RC；冗余保護電路需確定MOSFET 場效應(yīng)管型號及其驅(qū)動電路參數(shù)。

5.2 均流電路各參數(shù)的確定

5.2.1 電流檢測電阻

由于檢測電阻與電源模塊正感應(yīng)端+OUT_s 端串聯(lián)， 其壓降VSENSE必須小于模塊電壓最大調(diào)節(jié)范圍， 即VSENSE必須遠小于△VSENSE(max)， 否則芯片沒有足夠的空間調(diào)節(jié)模塊輸出電壓。

式中，△VSENSE(max)為電源模塊輸出電壓最大調(diào)節(jié)范圍，△VSENSE(max)=0.05V，IOUT(max)=30A，RSENSE理論計算值為1.6mΩ。文中提到過：在一個由兩個并聯(lián)的冗余電源(N=M=1)組成的系統(tǒng)中，每個電源模塊要考慮能夠維持整個負載電流的大小（正常情況下，它只攜帶一半的負載電流）。因此必須考慮整個負載電流來調(diào)整感應(yīng)電阻的規(guī)格。

式中IOUT(max)為60A，PRSENSE需選擇大于3W 的電阻。考慮降額，圖中RSENSE選取3 個4mΩ/2W 的功率電阻并聯(lián)使用。

根據(jù)L6615D 芯片資料的公式：RG=(1/2)(VOUT/10mA–40)，選擇RG1=RG2=500Ω。

根據(jù)L6615D 芯片資料的公式，RADJ的最小值為：

其中IADJ(max)取8mA，計算得RADJ(min)=6.2Ω，實際應(yīng)用時RADJ取值100Ω。

5.2.2 電流檢測放大器放大倍數(shù)

連接在電流檢測放大器輸出短的CGA 引腳和GND 之間的電阻RCGA 用于定義共享總線上的最大電壓并設(shè)置電流共享部分的增益。RCGA/RG(從傳感部分到均流總線的增益)的比值可以計算為：

其中VSН(MAX)由實際應(yīng)用來定義，按電特性規(guī)定VSН(MAX)大于（VCC-2.2V）， 圖 中VCC 為12V，VSН(MAX)取10V，RG=500Ω, VSENSE(MAX)=0.05V,計算得RCGA=100kΩ，實際應(yīng)用時可微調(diào)。

5.2.3 誤差放大器補償參數(shù)

確定連接在COMP 端和GND 之間的補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，即確定CC和RC的值，RC用于增加負載共享回路的相位裕度，這兩個元件值時均流控制電路中誤差放大器的補償元件，其取值關(guān)系電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合理的設(shè)置補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)可避免均流控制環(huán)與電壓控制環(huán)之間相互干擾。

根據(jù)L6615D 芯片資料公式，有：

式中，GM為誤差放大器的跨導(dǎo)，按均流IC 電特性表設(shè)定，典型值為4ms；fC(SН)為均流環(huán)路的交越頻率；RLOAD為負載電阻值，RLOAD=VOUT/IOUT(max)；APWRfC（SН）為fC（SН）頻率下電壓環(huán)的增益，在電源模塊和感應(yīng)端間接一個測量信號可測得；RA典型設(shè)計值按均流IC 電特性表中為100Ω；RSENSE=(4/3)mΩ；RCGA=100kΩ；RG=500Ω；RADJ=100Ω；設(shè)計中，設(shè)電源模塊的電壓環(huán)的交越頻率為400Нz，增益為10dB，則均流環(huán)的交越頻率選定40Нz，代入式（8），得：CC=3.18μF，實取3.3μF。將CC的值代入式（9），得：RC=1.2kΩ，實取1kΩ。CC和RC也可根據(jù)實際電路進行調(diào)整。

5.3 冗余保護電路設(shè)計

圖5 中冗余保護電路包括MOSFET、MOSFET 驅(qū)動器、電阻ROV、RUV、RSET、R2、電容C4、C5、C6，冗余保護電路經(jīng)過對N 溝道場效應(yīng)管MOSFET 的導(dǎo)通電阻RDS(ON)進行采樣，產(chǎn)生具有相應(yīng)邏輯的電平準確地驅(qū)動MOSFET 的柵極，控制其導(dǎo)通或關(guān)斷，其體二極管是反向偏壓的，所以它不導(dǎo)電。并聯(lián)的某個電源故障時將電源輸出與負載隔離，防止電流反灌給無故障的電源，避免因某一個電源的故障而影響整個系統(tǒng)的運行。同時對于熱插拔、熱互換產(chǎn)生的浪涌電流也可以起到保護系統(tǒng)的作用。

與典型應(yīng)用電路圖3 中使用二極管的解決方案相比，OR FET大大降低了功耗，下面的公式可以清楚的說明這一點，式中，VF是二極管的正向壓降。

5.4 實測結(jié)果

采用上述均流和冗余電路設(shè)計的產(chǎn)品，應(yīng)能達到引言中均流措施的主要目的：

（1）當(dāng)輸入電壓或負載變化時，保持電源的輸出電壓穩(wěn)定，并具有良好的負載瞬態(tài)響應(yīng)特性。

（2）使每個電源模塊承受的輸出電流均攤。

（3）使均流與冗余保護電流技術(shù)結(jié)合。試驗結(jié)果如下：

1.當(dāng)輸入電壓變化時，采取均流措施前后每臺電源模塊和并聯(lián)后模

塊的輸出電壓對比情況見表1。從數(shù)據(jù)可見，并聯(lián)后,當(dāng)輸出電壓從16V 到40V 變化時，輸出電壓維持穩(wěn)定性，變化量在10mV以內(nèi)。

經(jīng)測：并聯(lián)前后，輸出從50%負載到100%負載瞬變時，輸出電壓約從330mV 變到380mV，變化很小，仍能滿足小于10%Vo 的基本要求；輸出電壓的恢復(fù)時間變化不大，并聯(lián)前后均為微秒級。

表1：并聯(lián)前后電源模塊的輸出電壓對比情況

表2：并聯(lián)的電源模塊承擔(dān)的輸出電流情況

2.并聯(lián)的2 個電源模塊承擔(dān)的輸出電流測試情況見表2。1#模塊和2#模塊并聯(lián)的功率分配精度計算公式為試驗結(jié)果表明，采用L6615D 設(shè)計的均流控制電路后，模塊能均衡地分擔(dān)負載電流，分配精度較小，滿足國標要求。

3.均流電路與冗余保護技術(shù)結(jié)合。經(jīng)過過流等試驗，冗余保護電路自動保護電源模塊，故障消除時，自動恢復(fù)正常。證明所設(shè)計的冗余保護電路可有效的防止并聯(lián)系統(tǒng)中某個電源模塊故障或負載短路時的電流反灌。同時，由本文2.4 可見，采用2 個并聯(lián)的MOSFET 作為冗余管，型號為BSC011N03LS，其導(dǎo)通電阻只有1.1 mΩ，2 個并聯(lián)導(dǎo)通電阻為0.55 mΩ，對電源效率影響小。

6 結(jié)論

本文介紹了基于均流控制IC L6615D 的均流電路和冗余電路的設(shè)計方法，并進行了實例驗證，設(shè)計實例的驗證結(jié)果證明，該電源并聯(lián)電路滿足DC/DC 變換器模塊并聯(lián)的基本要求。該電路已成功應(yīng)用到某電源系統(tǒng)中，證明了電路的工程實用性。