利用UC3907設(shè)計(jì)的均流電路

利用UC3907設(shè)計(jì)的均流電路??

1引言

在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得需要的容量和一定的冗余，電源系統(tǒng)經(jīng)常將電源模塊并聯(lián)使用，對(duì)電源系統(tǒng)的基本要求是：

——在電網(wǎng)擾動(dòng)或負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，保持輸出電壓穩(wěn)定；

——控制各模塊電流，使其均分負(fù)載電流。

為了最大程度地獲得系統(tǒng)穩(wěn)定性，電源系統(tǒng)還有以下要求：

——設(shè)置模塊冗余，使任一模塊損壞，剩下的模塊能提供足夠的電流，而不致影響電源系統(tǒng)的工作；

——完成負(fù)載均分功能，而不需其它的外置控制設(shè)備。

另外，針對(duì)完成均流，電源系統(tǒng)還需要以下的功能：

——有一個(gè)公共的、低帶寬的均流總線來(lái)連接所有的模塊單元；

——具有良好的均流瞬態(tài)響應(yīng)；

——使用一個(gè)控制器調(diào)節(jié)輸出電壓。

總之，希望由各模塊構(gòu)成的電源系統(tǒng)能形成一個(gè)整體，各模塊平均分配應(yīng)力。并且這時(shí)如果使用均流技術(shù)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性最高。我們?cè)谠O(shè)計(jì)20A和50A的電源模塊應(yīng)用電路時(shí)就采用了美國(guó)UNITRODE公司的均流芯片，相對(duì)其它均流方法取得了較好的均流效果，并為電源模塊熱插拔的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2均流方法

電流均流法很多，有：下垂法、主從法、外接控制器法、平均電流法、最大電流法等。相對(duì)而言最大電流法性能最好，調(diào)整簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，均流母線開(kāi)路或短路都不會(huì)影響各電源模塊的獨(dú)立工作，任一模塊的故障也不會(huì)影響均流功能的實(shí)現(xiàn)。UC3907采用的就是最大電流法，如圖1所示。原理是各模塊電流和模塊的最大電流相比較，相應(yīng)調(diào)整參考電壓以校正模塊輸出電流的不均衡度。這種方法和平均電流法相似（如圖2），只是將后者和均流母線相連的電阻換成了二極管，這樣就只允許電流最大的模塊和母線相連。最大電流法克服了平均電流法的一些缺點(diǎn)，不會(huì)因某個(gè)模塊短路或限流等原因?qū)⒕髂妇€電壓降低。最大電流法能使從模塊很好地均流，但由于主模塊和母線相連的二極管壓降也帶來(lái)了誤差。UC3907用一個(gè)單向緩沖器代替二極管以消除上述誤差。

圖1最大電流均流法圖2平均電流均流法

圖2

圖3UC3907的結(jié)構(gòu)圖

3UC3907結(jié)構(gòu)

UC3907的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，UC3907從結(jié)構(gòu)上可以分為電壓環(huán)和電流環(huán)兩部分。電壓環(huán)由電壓放大器、地放大器和驅(qū)動(dòng)放大器構(gòu)成；電流環(huán)由電流放大器、調(diào)整放大器、緩沖放大器和狀態(tài)指示構(gòu)成。

3?1電壓環(huán)

（1）電壓放大器

電壓放大器是作模塊輸出電壓調(diào)整的反饋控制級(jí)，整個(gè)電壓回路補(bǔ)償通常就連在該放大器上。輸出偏差限定在2V，以提高系統(tǒng)的大信號(hào)響應(yīng)。在檢測(cè)中電壓放大器和地放大器配合，電壓放大器完成高阻抗正極性測(cè)試，地放大器完成高阻抗負(fù)極性測(cè)試。

（2）地放大器

地放大器是一個(gè)具有－0.25V偏置的單位增益緩沖器。在保持負(fù)極性輸入端高阻抗時(shí)（該端被認(rèn)為是“真的地”—4腳），該偏置使放大器有足夠的負(fù)電壓來(lái)提供所有的控制偏置和工作電流。地放大器的輸出（6腳）是模擬地。0.25V的偏置加到1.75V的參考電壓以在電壓放大器正輸入端得到2V的參考電壓，微調(diào)±1.25％。

地返回端（5腳）能得到最大負(fù)電壓，并且比負(fù)極性測(cè)試輸入端（4腳）低0到5V。所有芯片電流通過(guò)該管腳返回芯片。

（3）驅(qū)動(dòng)放大器

驅(qū)動(dòng)放大器是增益為－2.5的反置放大器，它將反饋信號(hào)耦合到功率控制器。電流設(shè)定電阻Rset用來(lái)建立控制環(huán)的前饋轉(zhuǎn)換功能和最大驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)放大器的極性這樣來(lái)設(shè)定：在正檢測(cè)輸入端（11腳）電壓的升高，光耦電流增加，原邊PWM的占空比減少。這將保證正確的啟動(dòng)，因?yàn)樵陔娫撮_(kāi)機(jī)時(shí)副邊沒(méi)有能量。

驅(qū)動(dòng)放大器將電壓放大器的輸出轉(zhuǎn)換為誤差電流，提供給光耦。誤差電流IOPO為：IOPO=

式中：Ve為電壓放大器的輸出。

電壓誤差和小信號(hào)的增益為：

3?2電流環(huán)

（1）電流放大器和緩沖放大器

芯片的均流部分使用了電流放大器、緩沖放大器和調(diào)整放大器。電流放大器的輸出是代表了負(fù)載電流的模擬信號(hào)（VCA=20×RS×IOUT），電流放大器的輸出連到驅(qū)動(dòng)均流母線的單向緩沖器。因?yàn)榫彌_器只提供電流，這保證了最大電流的模塊成為主模塊，并通過(guò)低阻抗驅(qū)動(dòng)均流母線，所有其它模塊的緩沖放大器由10k阻抗到地而無(wú)效。

（2）調(diào)整放大器

調(diào)整放大器將模塊自身的負(fù)載電流和最大模塊電流相比較，以調(diào)整模塊電壓放大器的參考電壓來(lái)保持均流。調(diào)整放大器是一種跨導(dǎo)型的放大器以限定帶寬，防止噪聲進(jìn)入?yún)⒖茧妷赫{(diào)整電路。調(diào)整放大器的輸出（14腳）通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償電容到模擬地（6腳）。地參考補(bǔ)償類似于內(nèi)部補(bǔ)償，但沒(méi)有正信號(hào)的問(wèn)題，因此輸入端濾去了不需要的噪聲。調(diào)整放大器在反向輸入端有一個(gè)內(nèi)置50mV的偏置，它使模塊作為主模塊時(shí)產(chǎn)生低輸出，不產(chǎn)生調(diào)整指令。當(dāng)50mV的偏置代表了均流誤差，電流放大器將通過(guò)檢測(cè)電阻將其減少到2.5mV。這使所有的從模塊均流，而主模塊運(yùn)行值稍高于從模塊。這個(gè)偏置也抑制了循環(huán)和低頻噪聲爭(zhēng)奪主模塊的位置。

（3）狀態(tài)指示

狀態(tài)指示腳用來(lái)指示哪個(gè)模塊是主模塊。當(dāng)調(diào)整放大器的輸出為低，集電極觸發(fā)。當(dāng)并聯(lián)模塊中一個(gè)模塊過(guò)流，該引腳將指示電流最大的模塊幫助診斷出錯(cuò)模塊。零電流或低電流錯(cuò)誤對(duì)其他模塊沒(méi)有影響，并且對(duì)電壓控制和均流沒(méi)有影響。

4并聯(lián)模塊的啟動(dòng)

模塊并聯(lián)時(shí)必須考慮啟動(dòng)狀態(tài)，4個(gè)5V電源模塊并聯(lián)的啟動(dòng)時(shí)序圖如圖4所示，一旦原邊提供功率，功率級(jí)將需要最大占空比直到單模塊反饋信號(hào)控制輸出電壓。在時(shí)間t1，模塊＃1由于電流最大成為主模塊，這使輸出電壓高于其他模塊。其他模塊將反饋零占空比信號(hào)到功率級(jí)，并保持空閑狀態(tài)。在這一點(diǎn)主模塊提供所有的負(fù)荷電流，并且在均流母線上輸出響應(yīng)電流。其它模塊的調(diào)節(jié)放大器檢測(cè)到其負(fù)載電流和主模塊電流的差異，開(kāi)始轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)放大器的輸出來(lái)提高電壓放大器的參考電壓。同時(shí)主模塊的調(diào)整放大器輸出保持鉗位在低于調(diào)整門(mén)限，從而保持原參考電壓不變。在時(shí)間t2，其他的三個(gè)調(diào)整放大器超過(guò)調(diào)整門(mén)限，開(kāi)始改變參考電壓。在時(shí)間t3，模塊＃2的參考電壓最接近主模塊，并且負(fù)載電流在這兩個(gè)模塊間均分。另外兩個(gè)模塊＃3和＃4依然在調(diào)節(jié)參考值。在時(shí)間t4，模塊＃3取得理想電壓，負(fù)載電流在這三個(gè)模塊間均分。在時(shí)間t5，最后一個(gè)模塊完成了參考值調(diào)節(jié)，因此電流均分。如果需要模塊電流緩慢建立，可在控制芯片上設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間比調(diào)整時(shí)間慢很多的軟啟動(dòng)。從t1到t5的調(diào)整時(shí)間t為：t=，CI=

式中：gm的典型值為3；

f為調(diào)整放大器的單位增益頻率；

CI為調(diào)整放大器補(bǔ)償電容；

Va為調(diào)整放大器偏差；

I為調(diào)整放大器最大電流（220μA）。

為了限制電流環(huán)的帶寬，調(diào)整放大器需連電容CI補(bǔ)償。若所需調(diào)整放大器的帶寬為500Hz，CI為1μF。最低參考電壓時(shí)，調(diào)整放大器輸出為：

Vadj=(VREFmax－VREFmin)17.5＋1

=30mV×17.5＋1

=15.3V

5電壓環(huán)和均流環(huán)設(shè)計(jì)

均流系統(tǒng)包括兩個(gè)環(huán)路：電壓環(huán)和均流環(huán)。電壓環(huán)調(diào)整輸出電壓，并且為了有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，電壓環(huán)的響應(yīng)比電流環(huán)快。電流環(huán)是一個(gè)低帶寬環(huán)以抑制從均流母線上產(chǎn)生的噪聲，并且?guī)拺?yīng)該足夠低以防和電壓環(huán)相互作用,即電流環(huán)比電壓環(huán)的交越頻率低并且分得足夠開(kāi)，但電流環(huán)的交越頻率也不能太低，因?yàn)檫@需要過(guò)大的補(bǔ)償電容。電壓環(huán)的響應(yīng)由調(diào)制電路拓?fù)?、環(huán)路其他增益函數(shù)決定。為了穩(wěn)定性，電流環(huán)在電壓環(huán)的交越頻率處不能產(chǎn)生過(guò)度的相移，所以電流環(huán)的交越頻率比電壓環(huán)的交越頻率至少要低10dB/十倍頻，最好低20dB/十倍頻；并且電流環(huán)的零點(diǎn)應(yīng)該在

圖4用UC3907完成的4模塊啟動(dòng)時(shí)序（無(wú)軟啟動(dòng)）

圖5

圖6模塊均流電路

電壓環(huán)的交越頻率的左邊，如可以在電流環(huán)的交越頻率處設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)，這樣可以減小電流環(huán)在電壓環(huán)的交越頻率處產(chǎn)生的影響。

根據(jù)電流環(huán)均流電路，功率電路及整個(gè)系統(tǒng)（均流電路和功率電路的組合）的幅頻特性、相頻特性作出的波特圖如圖5所示。

整個(gè)電壓環(huán)的增益GV(S)如下：GV(S)=A(S)式中：為不同拓?fù)潆娐份敵龅絇WM控制信號(hào)的增益；為PWM控制信號(hào)的增益到電壓放大器輸出的誤差信號(hào)；

A(S)為電壓放大器的傳遞函數(shù)。

整個(gè)電流環(huán)的增益GI(S)如下：

GI(S)=AO·ACS·ABA·AADJ·APWR

式中：AO為輸出電壓和檢測(cè)電阻上的電壓之比；

ACS為電流放大器的增益（20）；

ABA為緩沖放大器的增益（1）；

AADJ為調(diào)整放大器的增益；

APWR為功率級(jí)的傳遞函數(shù)。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用UC3907設(shè)計(jì)均流的50V/80A電源系統(tǒng)，使用4個(gè)20A電源模塊并聯(lián)，模塊均流電路如圖6所示。

UC3907的14腳輸出在1.5V到2.25V之間，6、7腳和電阻R1、R2構(gòu)成回路，使發(fā)射極約為1.5V。對(duì)于主模塊，14腳輸出為1.5V，所以NPN三極管不通，集電極接5V的高電位到控制電路；對(duì)于從模塊，14腳約為2.25V，三極管導(dǎo)通,集電極電位從5V下降到4.75V左右，再接控制電路調(diào)整輸出跟隨主模塊。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所列。

表1負(fù)載電流40A時(shí)的均流狀況

從利用UC3907設(shè)計(jì)的均流電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出UC3907是一種性能比較好的均流芯片，能很好地完成均流任務(wù)。