2011年电子设计大赛A题交流

1万 · 2011-8-31 13:44

各位做A题的进来交流一下吧

只看该作者 · 2011-9-1 08:19

电源模块的均流——基本原理、实现方法、电路仿真(转自电源网)
在很多大电流输出的场合，为了提高系统的可靠性，比较常用的一个方法就是采用热备份——多个电源模块并联使用。每个电源模块还具备在线插拔的功能。以便于拆卸和维修、维护。

但是我们知道，每个电源模块的内阻是略有不同的，而输出电压也不可能做到完全一致。故而，稳压输出的电压源是不可以直接并联的，或者是即便并联了，每个模块的输出功率各不相同。有可能会出现闲的闲死，忙的忙死的现象——有的模块在超负荷工作，损耗发热都比较厉害，寿命会降低。而有的工作于轻载，甚至都没有进入较好的工作状态（例如移相全桥，轻载时不容易实现软开关），也对电源健康不利。

这时候，我们需要一种手段，让各模块输出功率基本相同。这种把负载平均分配到各模块的手段，我们称之为均流。

均流的方法有很多种，例如：

1，输出阻抗法，又叫下垂法、倾斜法、电压调整率法。是通过调节电源的输出内阻的方式来实现的。这个方法的特点是简单。但最大的缺点是电压调整率差。

2，主从设置法，人为的在并联的模块中选一个主模块，别的模块的输出向这个模块靠拢。最大的问题是，如果主模块失效，那么整个电源系统都不能工作了。

3，平均电流自动均流法，把各模块的电流采样放大后通过一个电阻连到公用的均流母线上，大家按照均流母线上的平均电压来实现调整完成均流。平均电流自动均流法可以实现精确均流，但如果均流母线发生短路，或者某个模块发生故障，母线电压下降会使各模块电压下调。

4，最大电流自动均流法，又叫自动主从均流、民主均流，在所有并联模块中，输出电流最大的那个模块自动成为主模块，其他模块的输出向这个模块靠拢。

5，还有其他很多方法，例如热应力自动均流、外加均流控制器的均流等等。

目前应用比较广泛的是最大电流自动均流法，有专门为这设计的IC，例如UC3907等。但是在这里，我不打算用专用IC，仅采用普通的运放，来尝试实现此功能。采用ORCAD来仿真。

具体的工作原理其实很简单，就是把本模块的电流采样值和均流的值进行误差放大，然后用误差放大器的值去调节电压反馈环路的值，使输出电压发生变化，以调节本模块的输出电流，使电流反馈值与均流母线的值相同，从而实现了最大电流自动均流。

下面的图，就是单个模块内部的均流电路，U1A是电压误差放大器，U2A是电压采样的电压跟随器，U3A是电流采样放大器，把采集到的电流信号，反向放大100倍为正电压信号，U4A为均流误差放大器，U5A为电压跟随器，将本模块输出电流的采样信号输出到均流母线上，但此电压跟随器稍微有点变化，就是如果均流母线上的电压比本模块的电流采样信号的电压高的话，那么本模块的信号就不会输出到母线上。所以，母线上的电压信号，永远是输出电流最大的那个模块的。此外，还有一个模型E，这是一个把输出电压放大的模块，此处用来作为电源变换器来使用，将电压误差放大器的输出信号放大作为输出，增益设置为10。负载，我用了一个9A的电流源来模拟恒流负载。

好，我们把图中中间带着运放的这部分电路，再复制两份，贴在同一电路图中。然后，在其中一个模块的输出上反串联一个电压源，用将这个电压源慢慢升高的方法来模拟此电源模块出故障了的过程，来尝试观察其他的模块是否可以继续保持均流。当然，如果大家有更好的模拟方法，也可以提出来一起研究。

电路复制后，要选择菜单里的windows->xxx.opj，进入OPJ管理窗口，然后选择标签Hierarchy，点击schematic1，再选菜单TOOLS->annotate，弹出Annotate对话框，在action项选择Unconditional reference update，点击OK。

再从菜单windows回到电路图窗口，进行直流扫描仿真，设定我们反串的电压源从0V扫描到5V，步长0.01V。

进行仿真，放上电流探头，

看仿真结果

可以看到，在反串的电压源电压从0变化到3V的过程中，由于电路的调节功能，模块的输出还是能保持均流的。随后由于模拟反串电压源的电压升高，超出了电路的调节能力，模块的输出电流开始下降，而另外两个模块的输出开始上升，对于那两个正常模块来说，电流还是均衡的。等到故障模块彻底不输出电流了，负载电流完全由两个正常模块平均提供。

改变图1中的R20的阻值，可以改变均流误差放大器对输出电压调节的能力。如果我们将每个模块的这个电阻改为3K，重新做一次仿真，再看电流波形，就可以看出来，在反串电压源从0到5V变化的整个范围，所有模块依然可以均流输出。

欢迎大家参与讨论，提出意见和建议！