直流稳压电源的并联均流与实现

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摘要 介绍了直流稳压电源并联均流控制的常用方法、工作原理和实现电路。

关键词 均流、冗余、电源并联

一、简介

电源并联运行是电源产品模块化、大容量化的有效手段，是电源技术的发展方向之一，是实现组合式大功率电源系统的关键。目前，由于半导体功率器件、磁性材料等原因，单个开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦，但在实际应用中，往往需要使用一个以上的开关电源数百千瓦为系统供电。这种情况经常会遇到。这是通过电源模块的并行操作实现的。

通过直流稳压电源并联运行可以达到以下目的：

1.1扩容实现大功率供电系统。

1.2 通过N+1、N+2冗余实现容错功能，与电源热插拔方便维护电源系统，不影响系统正常运行，实现电源不间断供电供应系统。

2、直流稳压电源并联扩容要求

2.1 N+m（m代表电源系统冗余）个电源模块并联扩容后，电源电压效应、负载效应、总电源系统暂态响应等技术指标应保持在技术指标范围内系统要求。

2.2 每个直流稳压模块单元都具有输出自动均流功能。

2.3 采用冗余技术，当一个电源模块单元发生故障时，不会影响整个电源系统的正常运行，电源系统应具有足够的负载能力。

2.4 尽量不要改变功率模块单元的内部电路结构，保证电源系统的高可靠性。

2.5 公共均流母线的带宽应小，以降低电源系统的噪声。

2.6 确保每个电源单元共享负载电流。即整个电源系统要通过并联均流作为一个整体工作，同时通过并联均流技术可以优化整个电源系统的性能。

3、几种常用的均流方式

3.1 改变输出内阻法（外特性下降法，改变输出斜率法）

利用电流反馈调整功率模块单元的输出阻抗，实现均流。

3.2 主从方式

在并联的电源模块中，选择一个电源模块作为主电源模块，其他电源模块作为从电源模块。主功率模块工作在电压源模式，从功率模块工作在电流源模式，电流值可独立设置。这样一来，一旦主模块出现故障，整个系统就会崩溃，显然没有冗余。

3.3 平均电流自动均流法

该方法无需增加均流控制器，各功率模块单元连接公共均流母线CSB。均流母线的电压Ub为代表各自输出电流(即代表电力系统平均电流)的N个功率模块的电压信号Ui的平均值。Ub与各电源模块的采样电压信号进行比较，再通过调节放大器输出误差电压，从而调节模块单元的输出电流，达到均流的目的。

平均电流法可以准确实现均流，但当公共母线CSB短路或连接在母线上的任何功率模块单元不工作时，CSB电压会下降，导致各路输出电压下降。电源模块会降低，甚至达到下限值，导致电源系统故障。

3.4 外接设备方式

使用一个额外的均流控制器来比较所有模块的电流并调整相应的反馈信号以实现均流。这种控制方法效果很好，但需要额外的均流控制器和额外的接线。

3.5 热应力自动均流法

通过监测电源系统中各功率模块单元的温度实现均流电源控制器，使温度高的模块单元输出电流小，温度低的功率模块输出电流大。

3.6 最大均流法（民主均流法、自动均流法）

该方法采用一组最大值比较器，将各时刻输出电流最大的模块作为主模块，将其输出电流转换成电压信号Ui送至均流总线CSB，即CSB上的电压Ub反映了各功率模块功率单元中Ui的最大值，即电流的最大值。每个从模块的Ui与Ub进行比较，自动调整输出电流，实现均流。就是采用这种工作原理的均流控制芯片。这种均流芯片目前被广泛使用。

4.简介

均流控制芯片可以使并联工作的功率模块单元工作在设定的电流值，均流精度可达2.5%。其内部工作框图如图1所示，图2为电源均流系统使用的连接图，图3为控制框图。工作原理如下：检测对应功率模块单元的输出电流，将各功率模块单元的输出电流信号反馈放大后送至均流总线CSB，调节各单元模块的输出电流按照最大均流控制原理进行控制，从而达到均衡的目的。

4.1 管脚功能简介如下：

(1) 4 针；系统接地端子：这是一个高阻抗端子，用于通过测量电源回线上的电压降来监控系统接地。

(2) 6 针；假接地端子：这是一个低阻抗端子，比4针高250mV。

(3) 5 针；电源回流端：为最负端，应尽可能靠近电源连接。

(4) 引脚 7；Vref 端：内部参考电压相对于引脚 4 为 2V，相对于引脚 6 为 1.75V。

(5) 11脚：电压放大器的反相输入端，负载电压反馈信号（约2V）引至此端与同相端信号进行比较。具体使用时，需要在步骤11和步骤12之间加一个补偿电容。

(6) 引脚 8、9 和 12；形成一个固定增益为 2.5 的缓冲放大器。引脚 8 根据电流设置电阻。对于主模块，此端输出高电压（2.5V~3.5V），9脚流入电流（最大10mA）。对于从机模块，8脚电压接近零伏，9脚电流也为零。

(7) 引脚 1、2 和 3；构成电流放大器，对并联电源模块输出的电流信号进行采样电源控制器，放大20倍。

(8) 引脚 1 和 15；形成最大值比较驱动器来驱动均流总线 CSB。

(9) 引脚 13、14 和 15；将各模块单元的输出电流与主模块的输出电流进行比较，利用输出值调整给定的参考电压。

(10) 16 针；状态指示：为集电极开路输出端，用于指示主供电模块，低电平时表示该模块为主模块。

(11) 引脚 10；Ucc电源端，供电电压范围为4.5V~35V。

图1 内部工作框图

图 2 使用的电源均流系统连接

图3控制框图

五、应用电路

5.1 离线负载均流电路

图4所示电路为离线式负载均流电路。对于电源控制器，其开关频率 Fs = 1.72/Rt

它是一款集成了3A驱动器的数字DC/DC电源控制器。均流特性允许多个器件并联为负载供电，以满足更高的电流要求。输入电压3V-14V，输出电压0.64V-5.5V电源控制器，输出电压精度±1%，负载瞬态响应快。集成了兼容PMBus的I2C/SMBus接口，主要应用于服务器/内存设备、通讯/数据通讯设备和电源模块。本文介绍评估板的主要特点、12V输入输出1.8V/16A应用电路图、三相均流框图和主要特点。

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12V输入输出1.8V/16A应用电路设计

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设计为灵活构建块的直流电源可以轻松地从 3.3V 输入的单相电源转换为 12V 输入的多相电源。不需要复杂的电源管理和许多外部分立元件。关键操作引脚——可配置功能，包括补偿、电流共享和输出电压。使用 I2C/SMBus™ 和 PMBus™ 协议在主机控制器和 -DC 总线之间进行通信的实验室设备。

三相均流电路设计

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电路主要特点：

自适应轻负载效率优化、3V 至 14V 输入范围、0.54V 至 5.5V 输出范围、Pura 和 DOSA 电压调节模式、输出电压精度 ±1%、内部驱动器、快速负载瞬态响应、均流和相位交错™参数捕获快照、通过无铅认证 (6) QFN 进行电源管理、数字软启动/停止、精密延迟和转换、电源良好/启用、电压跟踪、排序魅力、电压、电流和温度监控、I2C/SMBus 接口、 PMBus 兼容电源控制器，输出电压和电流保护，内部非易失性存储器 (NVM)

评估板电路设计

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是一款集成混合信号电源转换和管理 IC，将高效降压 DC/DC 转换器与关键电源和热管理功能结合在一个封装中。电流共享和自适应效率优化算法的加入提供了一个灵活高效的电源 IC 构建块。该平台是一个显示 15 个同步降压转换器的层压板。排序、跟踪和裕度以及其他功能都可以使用该评估板。USB SMBus 适配器板可以使用评估板连接到计算机。

电子爱好者网技术编辑点评分析：

数字电源的关键是电源管理和控制信号的数字化处理。其基本要求是：在保证稳定性的前提下，具有快速性、稳定性和准确性。它是一款集成了3A驱动器的数字DC/DC电源控制器。均流特性允许多个器件并联为负载供电，很好地满足电源管理要求。如果读者在电源管理设计方面有独特的想法，欢迎在评论中讨论。