葉碩，夏振華

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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并聯(lián)DC電路的高精度均流控制研究

葉碩，夏振華

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源具有容量大、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但各模塊間輸出均流速度較慢且電流輸出分配精度不高。為此，提出了一種Buck型DC變換電路的解決方法，即采用軟件閉環(huán)以快速實(shí)現(xiàn)各模塊電流的輸出分配，并通過比例積分算法改善電源的穩(wěn)態(tài)性能。試驗(yàn)測試表明，在采用該均流方法后，開關(guān)電源動(dòng)態(tài)輸出特性平穩(wěn)，且均流精度高，并能有效避免模塊過流損毀問題。

[關(guān)鍵詞]DC/DC變換；多模塊并聯(lián)；均流控制

隨著大功率負(fù)載日益增多，對大容量的直流供電電源的需求也隨之不斷提高，采用提升單一供電模塊供電能力的方式已經(jīng)難以滿足電路設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。直流并聯(lián)電源具有效率高、冗余性好的優(yōu)點(diǎn)，但并聯(lián)的DC電源模塊由于各自輸出特性的差異，往往導(dǎo)致支路均流速度慢且電流輸出分配精度不高，尤其當(dāng)某一模塊所承載的電流短時(shí)間超過其電流上限時(shí)，過大的熱應(yīng)力將增加電路損毀的可能性，繼而影響整個(gè)電路的正常運(yùn)行[1]。DC/DC變換器有反激型、推挽式和Buck型3種主要類型。下面，筆者介紹一種Buck型DC變換電路的精準(zhǔn)均流方法，通過比例積分算法改善電源的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并將2個(gè)DC模塊并聯(lián)，對這種均流控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1均流控制原理

多模塊并聯(lián)的直流電源供電系統(tǒng)可以避免單一模塊無法提供負(fù)荷電流的缺陷，但簡單地將各個(gè)供電模塊并聯(lián)在一起，很可能會出現(xiàn)負(fù)載不匹配的情況。在并聯(lián)結(jié)構(gòu)的直流電源中，模塊空載或滿負(fù)荷運(yùn)行都不是最佳的運(yùn)行狀態(tài)，因而需要采用額外的電路來實(shí)現(xiàn)均流功能。

圖1(a)為反激型DC變換電路，其通過改變PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)升壓或降壓。拓?fù)浔旧砭哂蟹乐闺娏鞯构嗟膬?yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡便，變換效率較高。但其輸出功率具有局限性，且當(dāng)頻率很高時(shí)，回路中的電流連續(xù)，易導(dǎo)致磁芯飽和。

圖1(b)為推挽式DC變換電路，電路呈對稱型，結(jié)構(gòu)緊湊，兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)方便。因開關(guān)管輪流通斷，所以降低了變換器的通態(tài)損耗，提高了變換的效率。但如果電流不平衡，變壓器將存在飽和的危險(xiǎn)。

圖1(c)為Buck型DC變換電路[2]，采用脈寬調(diào)制或者頻率調(diào)制工作方式。脈寬調(diào)制改變占空比而維持周期的不變，頻率調(diào)制則改變PWM的周期而保持占空比不變[3]。各個(gè)并聯(lián)模塊間彼此獨(dú)立，便于維護(hù)與更換。

通過比較上述3種典型變換電路可以看出，Buck型DC變換電路具有顯著優(yōu)勢。為增加電路的可靠性，并快速完成各支路電流的輸出分配，還可采用軟件閉環(huán)控制的方式，測量電路實(shí)時(shí)采集輸出電流值，CPU通過適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄕ{(diào)整輸出電流值。軟件閉環(huán)的優(yōu)勢在于可以使用算法來提升電路的性能使其快速穩(wěn)定，這符合當(dāng)今硬件軟化、智能化、可擴(kuò)展化的發(fā)展趨勢。

圖1　典型DC變換電路

2均流電路設(shè)計(jì)

圖2　均流電路

圖3　程序流圖

開關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)中最常用的均流控

制方法有：輸出下垂控制法、主從控制法[4]、平均電流自動(dòng)均流法以及最大電流自動(dòng)均流法[5]。此外，還有專門為并聯(lián)均流而設(shè)計(jì)的控制芯片，其目的在于提高并聯(lián)系統(tǒng)的均流度。對于帶有負(fù)載的電路系統(tǒng)，輸出電流的控制基本處于開環(huán)狀態(tài)，一旦負(fù)載發(fā)生變化，輸出總電流也會隨之變化，難以滿足恒流輸出的要求，且并聯(lián)電源的每一條供電支路都可以等效為一個(gè)電壓源，因此必須解決功率分配的問題。

LM2596具有極佳的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)能力，采用150KHz的內(nèi)部震蕩頻率使輸出更加細(xì)致。LM2596單路負(fù)載最大電流達(dá)到3A，利用簡單的外部器件即可實(shí)現(xiàn)降壓功能。在圖2中，對于DA輸入端而言，已知反饋引腳FB上電壓恒定，通過電阻的串并組合，運(yùn)用疊加定理改變A點(diǎn)的電壓，即可改變輸出的電流。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)碾娮柚?，可進(jìn)一步提高輸出的精度。

DC變換電路中二極管可以避免電流在局部形成回路，并可在電流不均流時(shí)保護(hù)前端DC/DC電壓源，利用二極管的正向?qū)ㄐ?，?dāng)并聯(lián)電路中某一路的電壓過高時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，以此保護(hù)電路。肖特基二極管不僅功耗低，還兼具反向恢復(fù)時(shí)間極短、正向?qū)▔航祪H0.4V的優(yōu)勢。

為防止DC轉(zhuǎn)換模塊因電流負(fù)載功率過大而造成損害，也要對電路整體進(jìn)行過流保護(hù)。使用繼電器設(shè)計(jì)過流保護(hù)，通過電流采集芯片將2條支路的電流采集并轉(zhuǎn)換為電壓，將得到的電壓通過AD芯片反饋給單片機(jī)，單片機(jī)再處理AD的數(shù)據(jù)，當(dāng)電流超過所設(shè)置的上限時(shí)，斷開繼電器的常閉觸點(diǎn)，以此保護(hù)電路。而在斷電一定時(shí)間后，重新閉合繼電器，使系統(tǒng)具備自啟動(dòng)功能。

系統(tǒng)上電穩(wěn)定后，首先判斷電路是否短路，若有短路情況，立即對回路進(jìn)行斷電保護(hù)；若無短路，則進(jìn)入判斷語句控制輸出電流，然后檢測負(fù)載電壓，再進(jìn)行過壓檢測和保護(hù)(見圖3)。

當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，各支路電流也發(fā)生變化，同步等幅上升或下降，處理器采集到變化后做出反應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)快速均流，使用比例算法將支路輸出按照預(yù)設(shè)模式的要求進(jìn)行電流分配，將其中一路的電流抑制另一路的電流提升，此時(shí)使用較大系數(shù)，使輸出快速趨近特性曲線。之后采用比例積分算法，在輸出達(dá)到穩(wěn)定前，將輸出特性曲線分段近似，以不同的系數(shù)分段加以控制，保持輸出的動(dòng)態(tài)平衡，以迅速滿足所需的比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)快速均流。

3測試分析

試驗(yàn)系統(tǒng)為2個(gè)DC模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其連接如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的均流精度較高，符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)檢測，在支路電流為4.39A時(shí)，繼電器斷電保護(hù)系統(tǒng)安全，誤差為2.2%，該值在允許范圍內(nèi)，能有效避免過流引起的問題，提高了系統(tǒng)安全性，保障了使用者的人身安全。

表1　模塊均流結(jié)果

4結(jié)語

筆者所提出的均流方法較好地實(shí)現(xiàn)了多路輸出電源的高精度均流，使雙模塊并聯(lián)所表現(xiàn)出的輸出特性與單一模塊條件下的輸出特性具有較好的一致性。在滿足輸出電壓要求的同時(shí)具有過流保護(hù)功能，有效避免了某一模塊因短時(shí)間過流而損毀的問題。此外，電源并聯(lián)模塊擴(kuò)充簡便，能根據(jù)容量需要靈活增減模塊數(shù)目，擴(kuò)大了適用范圍。

為獲得更加理想的輸出特性，直流并聯(lián)電源還需進(jìn)一步提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，降低穩(wěn)態(tài)輸出的擾動(dòng)。多環(huán)控制結(jié)構(gòu)能改善輸出品質(zhì)，但也將帶來更大的設(shè)計(jì)難度與實(shí)現(xiàn)要求。此外，數(shù)字控制均流的逐步發(fā)展也將會給未來的均流方式帶來革新。

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[5]張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998：216～203.

[編輯]洪云飛

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)13-0031-03

[中圖分類號]TN702

[通信作者]夏振華(1978-)，男，博士，講師，現(xiàn)主要從事儀器儀表與電路設(shè)計(jì)方面的研究工作；E-mail: 6746096@qq.com。

[基金項(xiàng)目]湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(104892014012)。

[收稿日期]2016-01-18

[引著格式]葉碩，夏振華.并聯(lián)DC電路的高精度均流控制研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(13)：31～33.