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電源模塊的均流:基本原理、實現方法、電路仿真

在很多大電流輸出的場合,為了提高系統的可靠性,比較常用的一個方法就是采用熱備份——多個電源模塊并聯使用。每個電源模塊還具備在線插拔的功能。以便于拆卸和維修、維護。

但是我們知道,每個電源模塊的內阻是略有不同的,而輸出電壓也不可能做到完全一致。故而,穩壓輸出的電壓源是不可以直接并聯的,或者是即便并聯了,每個模塊的輸出功率各不相同。有可能會出現閑的閑死,忙的忙死的現象——有的模塊在超負荷工作,損耗發熱都比較厲害,壽命會降低。而有的工作于輕載,甚至都沒有進入較好的工作狀態(例如移相全橋,輕載時不容易實現軟開關),也對電源健康不利。

這時候,我們需要一種手段,讓各模塊輸出功率基本相同。這種把負載平均分配到各模塊的手段,我們稱之為均流。

均流的方法有很多種,例如:

  1. 輸出阻抗法,又叫下垂法、傾斜法、電壓調整率法。是通過調節電源的輸出內阻的方式來實現的。這個方法的特點是簡單。但最大的缺點是電壓調整率差。
  2. 主從設置法,人為的在并聯的模塊中選一個主模塊,別的模塊的輸出向這個模塊靠攏。最大的問題是,如果主模塊失效,那么整個電源系統都不能工作了。
  3. 平均電流自動均流法,把各模塊的電流采樣放大后通過一個電阻連到公用的均流母線上,大家按照均流母線上的平均電壓來實現調整完成均流。平均電流自動均流法可以實現精確均流,但如果均流母線發生短路,或者某個模塊發生故障,母線電壓下降會使各模塊電壓下調。
  4. 最大電流自動均流法,又叫自動主從均流、民主均流,在所有并聯模塊中,輸出電流最大的那個模塊自動成為主模塊,其他模塊的輸出向這個模塊靠攏。
  5. 還有其他很多方法,例如熱應力自動均流、外加均流控制器的均流等等。

目前應用比較廣泛的是最大電流自動均流法,有專門為這設計的IC,例如UC3907等。但是在這里,我不打算用專用IC,僅采用普通的運放,來嘗試實現此功能。采用ORCAD來仿真。

具體的工作原理其實很簡單,就是把本模塊的電流采樣值和均流的值進行誤差放大,然后用誤差放大器的值去調節電壓反饋環路的值,使輸出電壓發生變化,以調節本模塊的輸出電流,使電流反饋值與均流母線的值相同,從而實現了最大電流自動均流。

下面的圖,就是單個模塊內部的均流電路,U1A是電壓誤差放大器,U2A是電壓采樣的電壓跟隨器,U3A是電流采樣放大器,把采集到的電流信號,反向放大100倍為正電壓信號,U4A為均流誤差放大器,U5A為電壓跟隨器,將本模塊輸出電流的采樣信號輸出到均流母線上,但此電壓跟隨器稍微有點變化,就是如果均流母線上的電壓比本模塊的電流采樣信號的電壓高的話,那么本模塊的信號就不會輸出到母線上。所以,母線上的電壓信號,永遠是輸出電流最大的那個模塊的。此外,還有一個模型E,這是一個把輸出電壓放大的模塊,此處用來作為電源變換器來使用,將電壓誤差放大器的輸出信號放大作為輸出,增益設置為10。負載,我用了一個9A的電流源來模擬恒流負載。

我們把圖中中間帶著運放的這部分電路,再復制兩份,貼在同一電路圖中。然后,在其中一個模塊的輸出上反串聯一個電壓源,用將這個電壓源慢慢升高的方法來模擬此電源模塊出故障了的過程,來嘗試觀察其他的模塊是否可以繼續保持均流。當然,如果大家有更好的模擬方法,也可以提出來一起研究。

電路復制后,要選擇菜單里的windows->xxx.opj,進入OPJ管理窗口,然后選擇標簽Hierarchy,點擊schematic1,再選菜單TOOLS->annotate,彈出Annotate對話框,在action項選擇Unconditional reference update,點擊OK。

再從菜單windows回到電路圖窗口,進行直流掃描仿真,設定我們反串的電壓源從0V掃描到5V,步長0.01V。

  進行仿真,放上電流探頭:

  看仿真結果

可以看到,在反串的電壓源電壓從0變化到3V的過程中,由于電路的調節功能,模塊的輸出還是能保持均流的。隨后由于模擬反串電壓源的電壓升高,超出了電路的調節能力,模塊的輸出電流開始下降,而另外兩個模塊的輸出開始上升,對于那兩個正常模塊來說,電流還是均衡的。等到故障模塊徹底不輸出電流了,負載電流完全由兩個正常模塊平均提供。

改變圖1中的R20的阻值,可以改變均流誤差放大器對輸出電壓調節的能力。如果我們將每個模塊的這個電阻改為3K,重新做一次仿真,再看電流波形,就可以看出來,在反串電壓源從0到5V變化的整個范圍,所有模塊依然可以均流輸出。

 

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  • 瓦西大壞蛋 2023-08-16 22:00
    實際多臺機器并聯均流過程會出現電壓跳動爭搶主模塊
    回復 1條回復
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