开关电源的并联运行及其数字均流技术

理较小功率，解决了单台电源遇到的问题。 大功率输出和分布式电源，使电源模块并联技 术得以迅速发展。然而一般情况下不允许模块输出 问直接进行并联，必须采用均流技术以确保每个模 块分担相等的负载电流，否则，并联的模块有的轻载 运行，有的重载甚至过载运行，输出电压低的模块不 但不为负载供电，反而成了输出电压高的模块的负 载，热应力分配不均，极易损坏。因而实现开关电源 并联运行的核心是均流技术。若采用多个电源模块
２传统并联均流方案与模拟控制方式
传统的并联均流方案有改变输出内阻法、主／从 法、平均电流自动均流法、外接控制器法、热应力自 动均流法及最大电流均流法等，这些均流方法多数 采用的是模拟量控制，由于模拟控制是连续的信号 处理，其带宽允许范围很大，有许多集成芯片实现成 熟的控制。图１为，ｚ个并联模块中一个模块按平均 电流自动均流的控制原理图。
监控模块和各个模块都以ＤＳＰ为控制核心，监 控模块检测输入输出总电压、电流及温度等参数，进 行欠压、过流、温度等保护，同时检测模块个数，经过 处理，设定各模块的工作方式和工作电流值或电压 值，通过ＣＡＮ总线通信，进行强制均流，并且通过 闭环反馈达到闭环控制目的。还可实现热插拔并联 冗余，当故障模块自动退出并发出报警，剩余模块按 照总控设定的工作模式自动均分负载。选用 ８２Ｃ２５０为ＣＡＮ控制器与物理总线之间的接口电 路，它能够提供对总线的差动接收和发送功能，以实 现总线上各节点间的电气隔离，高达１ Ｍｂｐｓ通信 速率完全可满足数字均流技术实时通信的目的。
基准电压【，，和均流控制电压【，。的综合△Ｕ，它与 反馈电压比较放大后产生电压误差Ｕ。，控制ＰＷＭ。 Ｕ；为电流放大器的输出信号，它与每个模块的 输出电流成正比。当ｎ＝２时，也就是两个模块并联 运行状态下，己厂ｉ。和己，ｉ。分别为模块１和２的电流信 号，它们都经过阻值为Ｒ的电阻接到均流母线上。 当流入母线的电流为零时，
实时通信的要求。通过ＣＡＮ，能够实现并联工作的 各电源模块问的数据通信，且硬件接口简单，但 ＣＡＮ总线采用了ＯＳＩ参考模型的３层协议物理层 和数据链路层，仅可实现节点间无差错的数据传输， 其他层的协议可根据需要自己定义。 许多单片机（包括ＤＳＰ控制器）都有内置通信 模块。选用这些单片机片内的通信模块实现数据通 信，无论对于增加可靠性，还是简化软硬件设计都有 很大的帮助。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ控制器具有较高的 Ａ／Ｄ转换速率、较小的封装，并且带有ＣＡＮ模块。 可作为主电路的控制核心。
万方数据
３０
淮海工学院学报（自然科学版）
２００６年３月
并联供电，不但可提供所需电流，而且可形成ｎ＋仇 冗余结构，提高系统的稳定性，可谓一举两得。 本文先从电源的并联均流一般原理出发，介绍 几种传统的并联均流方案，并结合简单电路图，讨论 其工作原理及优缺点，最后详细介绍强迫均流的模 拟控制方式和数字控制［１］。 １
ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ
ｃｕｒｒｅｎｔ，
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｓｈａｒｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔ ｃｌａｒｉｆｉｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｎｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｂａｌａｎｃｅｄ
ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｎ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ＤＳＰ
饥
图１模拟控制均流原理图
Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｎａｌｏｇ
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｖｅｒａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ
并联各模块的电流放大器输出端（以点），通过 取样电阻Ｒ接到均流母线上。电压放大器输入为
万方数据
第１期
张天芳：开关电源的并联运行及其数字均流技术
３ｌ
控制方法灵活的特点，很容易做到单个模块故障时 不影响与其并联的其它模块的正常运行。要实现模 块之间的自动均流，模块之间的数据交换是必需的 功能。因此，实现数字均流的关键技术之一是通信 技术。采用何种通信方式、制订怎样的通信协议，既 能够实现数据的可靠和高速交换又能使通信接口简 单，是数字均流技术首先要研究的内容。 ＣＡＮ总线是为控制系统设计的，属总线式串行 通信网络，支持分布式和实时控制，与一般通信总线 相比，ＣＡＮ具有突出的可靠性、实时性和灵活性，对
载
数字均流原理
（ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ）控制的数字均流原理框图。
（１）电源单元和监控单元的软件。高频开关电 源单元主要由数据采集、电压电流输出给定、键盘和 ＬＥＤ显示、故障处理及与监控单元通信等子程序组 成。监控单元主要由键盘和液晶显示，ＥＥＰＲＯＭ
图２数字均流原理图
Ｆｉｇ．２
以及与电源单元和ＤＳＰ通信等子程序组成。如果
大容量、安全可靠、不间断供电的电源系统。如果采 用单台电源供电，该变换器势必处理巨大的功率，电 应力大，给功率器件的选择、开关频率和功率密度的 提高带来困难，且一旦电源发生故障，则整个系统崩 溃。采用多个电源模块并联运行来提供大功率输出 是电源技术发展的一个方向，其系统中每个模块处
收稿日期：２００５—１０—２０；修订日期：２００６一Ｏｌ—１０ 作者简介：张天芳（１９７６一），女，山东威海人，兰州理工大学电气与信息工程学院硕士研究生，讲师，主要从事大功率开关电源的研究， （Ｅ－ｍａｉｌ）ｊｎｚｔｆ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ。
ａｓ ａ
ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＤＣ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＣＡＮ ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ ａｎｄ ｔａｋｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｂａｓｅｄ
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ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｔｏｌｅｒａｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ
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于１００ ｍｓ级响应时间的均流控制来说，能够满足其
３．２．２单个模块的工作原理
图３为数字开关电
源原理图，每个模块都有其单独的处理单元，在控制 上采用双环控制，以电流环为内环，电压环为外环， 既可恒压控制也可恒流控制。通过霍尔元件检测本 身的输入输出电流电压，然后与监控单元设定的工 作电流或电压进行比较，并按照监控单元设定的工 作模式不断调整数字ＰＷＭ，达到强制均流。每个 模块的输出端接有单向导通二极管，即使模块发生 故障也不会使模块之间产生电流环路。
即母线电压Ｕ是Ｕ；。和【，；ｚ的平均值，也代表了模 块１和２的输出电压平均值。【，；与Ｕ６之差代表均 流误差，通过调整放大器输出得到用于调整用的电 压。当Ｕ；一Ｕｂ时，Ｕｃ一０表明已经实现了均流。一
旦电流分配不均，则Ｕ；≠阢，【，。≠０，以此来调节
ＡＵ，从而控制ＰＷＭ，达到均流的目的。 传统均流技术模拟量控制可精确地实现均流， 容易构成冗余系统，且均流模块的数量理论上可以 不限。但传统方案也有缺陷，如改变输出内阻法调 整精度不高，每个模块必须个别调整，若并联模块功 率不同，容易出现模块间电流不平衡；主／从法一旦 主模块失效，则整个系统崩溃；平均电流自动均流法 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，会促使各电源模块输出电压
３．２．１
Ｆｉｇ．３
图３数字开关电源原理图
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ
３．２．３数字控制的实现
本文采用软件控制强迫
均流，是通过软件计算比较模块电流与系统平均电 图２为采用双ＤＳＰ 流，然后再调整模块电压，使其电流与平均电流相 等。软件方式易于实现，均流精度高，但其瞬态响应 较差，调节时间长。软件控制时实现恒流控制的算 法较多，采用增量式ＰＩ控制算法控制效果较好。
ｗｉｔｈ
ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｈａｒｅ；ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＣＡＮ ｂｕｓ； ｆｏｒｃｅｄ ｂａ】ａｎｃｅｄ
ｃｕｒｒｅｎｔ
０
引言
计算机、通讯、空间站等的广泛应用，要求组建
下调，甚至达到下限，引起故障。尤其是大系统中， 系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决。
３并联强迫均流与数字均流控制实现
３．１并联强迫均流 所谓强迫均流，就是通过监控模块实现均流。 实现方式主要有软件控制和硬件控制两种。从对传 统均流技术的分析，笔者发现采用模拟均流控制存 在一定的问题，若采用数字方法实现，采用通信方式
并联均流一般原理
并联电源系统中各模块按照外特性曲线分配负
（％一Ｕｂ）／Ｒ＋（己，ｉ２一Ｕ。）／Ｒ一０，
根据式（１）可得
Ｕｂ一（Ｕｎ＋Ｕｉ２）／２，
（１）
（２）
载电流，外特性的差异是电流难以均分的根源。正 常情况下，各并联模块输出电阻为恒值，输出电流不 均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流 的实质即通过均流控制电路，调整各模块的输出电 压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一 般开关电源是一个电压型控制的闭环系统，均流的 基本思想是采用各自输出电流信号，并把该信号引 入控制环路中来参与调整输出电压。选择不同的电 流信号注入点，可以直接调节系统基准电压、反馈电 压误差、或者反馈电流误差，形成多种均流方案，以 满足不同的稳态性能和动态响应。
张天芳
（兰州理工大学电气与信息工程学院，甘肃兰州