２００６年第２３卷第６期 微电子学与计算机 １６９ 并联均流技术在高频开关电源中的应用研究 郑耀添 （韩山师范学院物理与￣￣－－ＦＴ程系，广东潮州５２１０４１） 摘要：随着分布式电源系统的发展．开关电源并联技术的重要性日益增加。研制大功率、高性能的开关电源是 人们不断努力和追求的目标。文章介绍了电源模块并联供电的优势，井论述了几种并联均流电路的工作过程及优 缺点。还探讨了ＵＣ３９０７在开关电源并联均流系统中的应用。 关键词：开关电源，并联，均流 中圈法分类号：ＴＮ４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—７１８０（２００６）０６—１６９—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｈａｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈ Ｓｕｐｐｌｙ ＺＨＥＮＧ Ｙａｏ．ｔｉａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｓｈａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｏｚｈｏｕ ５２１０４１ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ－ｓｈａｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｉｔ ｉｓ ｅｎｄｌｅｓｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ａ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ，ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｎｅｃ￣ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｔｈａｔ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｐｏｗｅｒ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ａｆｔｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ， ｐｌｕｓｅｓ ａｎｄ ｍｉｎｕｓｅｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｌｏｗ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｋｉｎｄｓ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅ１．ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ＵＣ３９０７ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｗｉｔｃｈ Ｓｕｐｐｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，Ｐａｒａｌｌｅｌ，Ｃｕｒｒｅｎｔ－ｓｈａｒｉｎｇ １引言 标准化。减少产品的品种。 对于大功率负载的要求．可以由单台的大功率 由于并联系统中各个模块的外特性不一致．外 电源来提供或者由多台开关电源并联来提供。但是 特性好的模块可能要承担更多的电流，甚至过载， 单台的大功率电源在设计和制造中存在很大的困 从而使外特性差的模块运行于轻载甚至空载。结果 难。成本也不合算。可靠性和稳定性也难以保障。多 使得分担电流多的模块热应力增大．使用寿命降 台开关电源的并联系统能很好的克服这些缺点．并 低。电子元器件温度从２５℃上升到５００￣Ｃ时，其寿命 具有单台电源所不具备的优点 多台开关电源的并 将大为降低。仅为２５ｃＩＣ时的１／６。于是并联系统中， 联系统的输出功率具有可扩展性。可以由Ⅳ＋ 台变 出现了均流技术的研究。并联均流技术是分布式电 换器模块并联．其中Ⅳ台用于供给负载所需的电 源系统的关键技术。因此，并联运行的分布式系统 流， 台为后备模块。当正在工作的模块即使有 台 是电源技术的一个发展方向．并联技术是实现大功 出现故障．电源系统仍然能够提供１００％的负载电 率电源系统的关键技术．于是均流技术的研究就显 流。除了具有冗余技术的优点外。还可以实现热更 得重要了 换．保证系统在不断电的情况下更换系统的失效模 块。提高了系统的可维护性。分布式的电源系统具 ２高频开关电源并联均流的方法 有很好的灵活性．可以将模块的开关频率进一步提 ２．１输出阻抗法 高。从而提高模块的功率密度，使电源的体积，重量 输出阻抗法也称电压调整率法或外特性下垂 下降。系统的单个模块的电流应力减小．提高了系 法．是一种通过调节开关变换器的输出阻抗（即调 统的可靠性。另外。分布式电源系统使得模块易于 节外特性倾斜度），达到并联模块接近均流目的的 收稿日期：２００５—０８—１７ 方法。这个方法本质上属于开环控制，在小电流时 １７０ 微电子学与计算机 ２００６年第２３卷第６期 电流分配特性差．重载时分配特性要好一些。但仍 是不平衡的。其缺点是电压调整率下降．为达到均 流。每个模块必须个别调整。因此，这种方法对于不 同额定功率的并联模块，难以实现均流。 还可以采用引入输出电流反馈的方法实现均 均 流 母 线 流．在电压反馈型ＤＣ／ＤＣ变换器中将输出电流引入 反馈回路中，这样当输出电流增加时．输出电压将 降低从而调节并联模块的输出阻抗．实现均流的目 的。有许多因素在影响电流分配的不均匀性．如元 图１平均电流法自动均流控制电路原理 端产生一个电压Ｕａｂ．这个电压经过放大器输出电 器件的容差，元件老化，物理条件改变使元件性能 的变化有差别等等。因此。在用输出阻抗法实现近 似均流以后。电源系统运行了一段时间．若发生上 述变化。则电流分配又不均匀了。由于用输出阻抗 法均流的系统电压调整率差．因此这一方法不可能 用在电压调整率要求很高（例如３％或小于３％）的 电源系统中 ２．２主从设置法 这一方法适用于有电流型控制的并联开关电 源系统中，所谓电流型控制是指开关电源模块中有 电压控制和电流控制。形成双闭环系统。电流环是 内环。电压环是外环。主从设置法是在并联的／７，个 变换器模块中．人为指定其中一个为“主模块” （Ｍａｓｔｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ），而其余各模块跟从主模块分配电 流，称为从模块（Ｓｌａｖｅ Ｍｏｄｕｌｅｓ）。主模块电压设定了 整个系统的电压给定值Ｕｅ．通过各自的电流反馈控 制。使所有模块分担相同的负载电流。 主从控制法均流的精度很高．但存在的最大缺 点是一旦主控电源出现故障。整个系统将完全失 控。此外，由于系统在统一的误差电压控制下。任何 非负载电流引起的误差电压的变化。都会导致各并 联电源电流的再分配，从而影响均流的实际精度。 通常希望主控电源电压取样反馈回路的带宽不宜 太宽，主从电源间的连接应尽量短。 ２．３按平均电流值自动均流法 按平均电流值自动均流的方法不用外加均流 控制器，电路简单，容易实现。在各电源模块单元间 都通过一个电流传感器及一个采样电阻接到一条 公共均流母线ＣＳＢ．均流母线的电压是Ⅳ个电源模 块代表各自输出电流的电压信号ｕｉ的平均值（即 代表电源系统的平均电流）。Ｕｂ与每个电源模块的 取样电压信号比较后通过调节放大器输出一个误 差电压，从而调节模块单元的输出电流．达到均流 目的。如图１所示。当输出达到均流时．输出电流Ｉ 为零。反之，则电阻Ｒ上由于有电流ｌ流过．在其两 压．它与基准电压Ｕｒ比较后的Ｕｒ 反馈回电源模块 的控制部分．从而调节输出电流，最终实现均流。 平均电流法可以精确地实现均流。但当公共母 线ＣＳＢ发生短路或接在母线上的任一电源模块单 元不工作时．使电压下降。结果促使各电源模块输 出电压下调。甚至达到下限值，引起电源系统故障。 ２Ａ最大电流自动均流法 最大电流自动均流法是一种自动设定主模块 和从模块的方法．即在／７，个并联的模块中。输出电 流最大的模块，将自动成为主模块。而其余的模块 则为从模块．它们的电压误差依次被整定，以校正 负载电流分配的不平衡．又称“自动主从控制法”。 由于在 个并联的模块中．事先没有人为设定哪个 模块为主模块。而是按电流大小排序，电流大的模 块．自动成为主模块．所以也称这个方法为“民主均 流法”。 最大电流自动均流法采用一套最大值比较器。 每一时刻输出电流最大模块作为主模块，其输出电 流转化成的电压信号Ｕｉ送至均流母线ＣＳＢ，即ＣＳＢ 上的电压Ｕｂ反映的是各电源模块单元中Ｕｉ的最 大值．即电流最大值。各从模块的Ｕｉ与Ｕｂ比较从 而自动调节输出电流达到均流。若将平均电流法自 动均流控制电路中的电阻用一个二极管代替。二极 管正端接ａ。负端接ｂ。这样，Ⅳ个并联的电源模块 中．只有输出电流最大的那个模块的电流才能使与 它连接的二极管导通．从而均流总线电压就等于该 模块的输出电压．其他模块则以均流总线上的电压 为基准，来调节各自的输出电流，从而实现均流。 ２．５热应力自动均流法 该方法是基于温度控制的并联系统的功率分 配的方法。各模块之间的电流并不一定相同。而是 根据各模块自身内部的温度来实现功率调整的。通 常并联电源系统是通过电流环控制来实现的．所以 系统中各模块电流在总电源电流中所占的比例是 相同的。采用温度控制的方法．各模块的功率是由 ２００６年第２３卷第６期 微电子学与计算机 １７１ 该模块的温度决定的，而不是电流．从而使各模块 内部温度趋于相等。这样，在最低成本下达到最高 的可靠性。 ２．６外加均流控制器法 外部均流控制器法的工作原理为：每一个单元 电源上加一个输出电流检测控制电路来检测本单 元的电流不平衡情况．产生反馈信号来调节每个单 元的电流。从而达到输出各单元间均流的目的。在 这种情况下，每个单元间应有公共总线。根据上述 原理，可实现ｎ一１个并联模块的均流。应用这一方 图２ ＵＣ３９０７内部工作框图 法实现自动均流．可使ｎ个并联模块的电流不均衡 度在５％以内。 承担总负载电流的一部分．且所承担的负载电流量 相等。负载均衡是通过来自电压反馈放大器的命令 控制每个模块的功率级完成的。电压反馈放大器的 基准可根据公共均衡母线的电压来调节。通过监测 外部均流控制器法的均流效果比较好．各模块 输出电流基本相等．但是要求每个单元需附加一个 电源控制电路，成为控制环路的一部分．且需满足 环路的总体要求。否则会降低单元电源的技术指标 及工作稳定性，降低系统的动态响应特性。另外．由 来自每个模块的电流．电流均衡母线确定通常哪个 并联模块的输出电流最高，并把它定为主模块．根 据主模块电流调节其它模块的输出电流。连接在各 模块之间的电流均衡母线是一个低阻抗非噪声敏 于每个单元都需要一个控制电路．所以整个均流系 统的连线较为复杂。加大了投资的需求。 在各种均流方法中．其中输出阻抗法和最大电 感线路．为了使各模块在离线时能够工作而不 互相干扰．离线时应使均流母线开路或短路接地。 参考文献 Ⅲ１ 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计．电子工业出 版社．１９９８ 流自动均流法应用较为广泛．并且已有现成的集成 控制芯片。输出阻抗法不需要在并联模块电源间建 立联系，是最简单的实现并联均流的方法。但它的 缺点也很明显：首先它是通过改变模块等效内阻实 现均流．在提高均流性能的同时会导致模块的电压 调整率下降。有实验证明，在并联系统输出电压波 【２】路秋生，张艳杰．电源并联均流技术．通信电源技术， ２００２，（６）：１２－１４ 【３］刘贤兴，李众，李捷辉．新型智能开关电源技术．机械工 业出版社．２００３ 动范围为５％．各并联模块电源负载特性曲线斜率 差异为１％时，要想实现均流精度小于１０％。各模块 电压空载电压差异必须小于０．３５％。 ［４］周志敏，周纪海，纪爱华．模块化ＤＣ／ＤＣ实用电路．电子 工业出版社．２００４ 【５】Ｂ Ｔ Ｉｒｖｉｎｇ，Ｍ Ｍ Ｊｏｖａｎｏｖｉｃ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｆｆｏｒ－ ３ ＵＣ３９０７在开关电源并联均流系统中的应用 ＵＣ３９０７芯片是美国ＩＲ公司生产的用于并联 均流电路的负载均衡控制器．如图２所示。ＵＣ３９０７ 从结构上可以分为电压环和电流环两部分 电压环 ｍａｌｌｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｏｏｐ ｃｕｒｒｅｎｔ—ｓｈａｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．ＩＥＥＥ Ａｐ曲ｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ， ２０ｏ３：２３５—２４１ 【６】Ｊｕｎｇ—Ｗ０ｎ Ｋｉｍ，Ｈａｎｇ－Ｓｅｏｋ Ｃｈｏｉ，Ｂｏ Ｈｙｕｎｇ Ｃｈｏ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｄｒｏｏｐ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｐａｒａｌｌｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＩＥＥＥ 由电压放大器、地放大器和驱动放大器构成；电流 环由电流放大器、调整放大器、缓冲放大器和状态 指示构成 ＵＣ３９０７采用了全微分高阻抗电压检测 和主模块状态显示功能．具有光电耦合器驱动能 力．能够通过精密电流放大器实现精确的电流均 分。ＵＣ３９ｏ７使多个并联在一起的电源模块各自只 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｅｔｒｏｉｅｓ，Ｊａｎ．２００２，１７（１）：２５－３１ ｆ７】孙铁，惠春，王芸．一种高电源噪声抑制宽线性范围 ＣＭＯＳ压控振荡器设计．微电子学与计算机，２００５（１Ｏ）： ６４ ６７ 郑耀添男，（１９６５一），讲师。研究方向为物理与电子技术。
