一種適用于空間輻照環境的自主均流電路研究

高東輝，賀啟峰，徐成寶，蔡可紅

(中國電子科技集團公司第43 研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

作為航空、航天系統二次電源用的DC/DC 變換器主要采用單模塊運行方式，隨著航空、航天技術的不斷發展，對DC/DC 變換器的功率等級要求也越來越高，采用多模塊DC/DC 變換器并聯工作的需求日益迫切。由于不同模塊之間存在的差異性會導致模塊并聯運行時電流分配不均，從而降低系統的可靠性，因此必須引入有效的均流控制電路來使系統穩定可靠工作[1-8]。

目前針對開關電源的均流控制，推出了很多均流控制芯片，如TI 公司推出的UC3902 系列等[9-13]。雖然均流控制芯片使用方便、結構簡單，但存在著采購周期長，無法滿足高等級、特殊環境的應用等問題。由于均流控制芯片結構復雜，對芯片進行抗輻照加固難度大，技術尚不成熟，目前國內外尚無加固的均流控制芯片。

針對均流控制芯片無法在空間輻照環境中應用的問題，目前的通用方法是采用分立器件構成均流控制電路，電路一般由運放、緩沖器、阻容元件、二極管等組成，其中只有運放和緩沖器為輻照敏感器件，選用具有抗輻照能力的器件即可滿足空間應用需求。

抗輻照加固運算放大器和緩沖器電路結構簡單，芯片抗輻照加固相比于均流控制芯片更易于實現，目前抗輻照加固運算放大器和緩沖器已在國內外得到廣泛應用。

本文對傳統的由分立器件構成的自主均流電路進行優化，提出了一種電路結構簡單、適用性強、成本低、精度高的開關電源自主均流電路。該均流電路只采用了一個運算放大器，其余均為阻容器件和二極管，因而只需采用抗輻照加固的運放，即可很好地應用于空間輻照環境中。

1 傳統外環調節自主均流電路

DC/DC 變換器自主均流控制策略主要有三種結構：外環調節結構、內環調節結構和雙環調節結構[14-16]。其中外環調節結構由于具有均流精度高、結構簡單、配置靈活、易于模塊化、易于擴展和維護等優點而得到了廣泛應用。本文所采用的控制策略為應用最為廣泛的外環調節策略，典型的外環調節自主均流電路結構如圖1 所示。

圖1 典型的外環調節自主均流電路

由圖1 可知，該自主均流電路為三環控制模式，從外到內依次是均流環、電壓環和電流環。為了減小由于二極管管壓降導致的主模塊存在的均流誤差，采用單向緩沖器結構代替圖1 中的二極管，如圖2 所示。

圖2 單向緩沖器電路

由圖2 可見，當VA1＞VA2時，由單向緩沖器工作原理可知，均流母線電壓VB=VA1＞VA2，此時從模塊的單向緩沖器輸出低電平，二極管D2截止，二極管D1導通。故均流母線電壓與主模塊采樣電壓相等，有效改善了圖1 中主模塊由于二極管管壓降而導致的均流誤差。

2 改進型外環調節自主均流電路

結合圖1 和圖2 所示的電路結構，提出一種改進型外環調節自主均流電路如圖3 所示。

如圖3 所示，當模塊作為主模塊工作時，二極管D3關斷，D2導通，此時U1 起到了圖2 中所示的單向緩沖器的作用；當模塊作為從模塊工作時，二極管D2關斷，D3導通，此時U1 作為均流環運放工作。此種電路結構利用一個運放的交替工作模式實現了單向緩沖器和運放的功能，從而簡化了電路結構。

此外，圖3 中在運放U1 的輸出端增加了二極管D3，通過合理的參數設計使得在單模塊工作時二極管D3關斷，均流電路不工作，避免了單模塊工作時均流電路對DC/DC 變換器的影響。

針對圖1 結構存在的DC/DC 模塊的負載調整度差的問題，圖3 在主模塊工作時，二極管D3關斷，均流電路不工作，主模塊的負載調整度與均流環路無關，得到了很好的保證。同時在并聯工作時，模塊的輸出電壓跟隨輸出電壓最高的模塊，即從模塊的輸出電壓跟隨主模塊，進而很好地改善了圖1 中存在的DC/DC 模塊并聯工作時負載調整度差的問題。

2.1 單模塊工作原理

如圖3 所示，電壓VB可由式(1)計算得出：

圖3 改進型外環調節自主均流電路

其中，Vsense為電流采樣得到的電壓信號，VREF為電壓基準信號，Ki、Kv分別為Vsense和VREF的分壓系數，一般通過分壓電阻網絡來實現該功能。

由運放的“虛斷”原理可知：

由運放的“虛短”原理可知：

根據式(2)和式(3)可得均流母線電壓VC為：

假設二極管D2、D3導通時的管壓降均為0.7 V，則均流運放U1 的輸出電壓VD為：

要使得單模塊工作時，電壓環不受均流電路的影響，二極管D3必須關斷，即必須使得反饋電壓VE(通常為2.5 V)和VD的關系滿足下式：

綜合式(1)～式(6)，同時考慮最惡劣的情況，即空載時，Vsense≈0 V，則有：

通過匹配合適的參數來滿足式(7)，即可實現DC/DC變換器單模塊運行時在全負載范圍內都可以避免均流電路的影響。

2.2 模塊并聯工作原理

兩模塊并聯運行時的電路結構圖如圖4 所示，兩個模塊的均流輸出端通過均流母線連接在一起。

圖4 兩模塊并聯結構圖

由前述分析可知，單模塊運行時，均流輸出端的電壓VC反映的是模塊初級電流的大小，當多模塊并聯運行時，由于二極管D2的作用，均流母線上的電壓為輸出電流最大的模塊對應的VC電壓。

如圖4 所示，當兩模塊并聯工作時，假設模塊1 中的電流大于模塊的電流時，則VC1＞VC2，此時模塊1 的二極管D3截止，如圖4 所示，用虛線表示，模塊1 的均流電路未介入工作。VC1會通過電阻R5和R7反饋到模塊2的運放U1 的反向輸入端，此時U1 的同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓，則U1 的輸出被拉低，模塊2 的二極管D2截止，如圖4 所示，用虛線表示。模塊2 的二極管D3導通，模塊2 的均流電路開始工作，拉低VE，使得占空比增大，進而使得模塊2 的輸出電壓升高，從而導致模塊2 流過的電流會增加，模塊1 流過的電流會減小，最終達到均流的目的。圖3中的R5、R6、C2構成PI補償器，用來補償均流環路。

3 實驗結果

為了驗證上述電路的可行性和理論分析的正確性，將該均流電路應用到一款20 V～50 V 輸入，5 V/20 A 輸出的單端正激式DC/DC 變換器中。

3.1 單模塊實驗結果

為了驗證圖4 中的二極管D3對單模塊工作時負載調整度的影響，圖5 給出了有/無圖3 中的二極管D3時，DC/DC 變換器在空載切換到滿載時輸出電壓躍變波形。

圖5 均流電路有/無二極管時模塊的輸出電壓波形

從圖5 中可以看出，當電路中不加二極管D3時，空載切換到滿載時，輸出電壓出現了明顯的下跌，負載調整度很差。當電路中增加二極管D3時，空載到滿載切換時，輸出電壓基本保持不變。由圖5 可見，該種均流電路可以很好地解決了圖1 中存在的DC/DC 模塊并聯工作時負載調整度差的問題。

3.2 兩模塊并聯實驗結果

當模塊的均流端未連接在一起時，兩模塊并聯輸出帶20 A 時的穩態輸出電流波形如圖6 所示，模塊均流精度較差，經計算為11%。

圖6 均流端未連接時,并聯模塊輸出電流波形

將兩個模塊的均流端連接在一起，得到模塊的輸出電流波形如圖7 所示。從圖7 中可以看出，當模塊的均流端連在一起時，輸出電流在20 A 和40 A 之間躍變時，兩模塊的輸出電流基本一致，模塊達到了很好的靜態和動態均流效果。

圖7 均流端連接時并聯模塊輸出電流波形

3.3 多模塊并聯實驗結果

為了進一步驗證采用該均流電路時多模塊并聯時的均流效果，進行了5 模塊并聯實驗，實測結果如表1所示。

從表1 的實測結果可以看出，模塊間均達到了很好的均流效果，通過計算，在滿載時，模塊間的均流精度為2.5%。

表1 5 模塊并聯輸出電流測試結果(A)

4 結論

針對均流控制芯片在空間輻照環境應用的局限性，基于傳統的自主均流電路，本文提出了一種改進型自主均流電路，相比于傳統的自主均流電路而言，利用一個運放的交替工作來實現單向緩沖器和運放的功能，簡化了電路結構。同時解決了傳統自主均流電路存在的負載調整度差的問題。相比于均流控制芯片在空間輻照環境中應用的局限性，該電路中只需采用抗輻照加固的運放，即可很好地應用于空間輻照環境中，均流電路的環境適應性大大增強。

本文詳細分析了該電路的工作原理，并在一款100 W輸出的單端正激式DC/DC 變換器中對其進行實驗驗證，實驗結果證明了該電路的正確性和有效性。