LTC4350自主均流法研究 - 全文

　　摘要：多模塊電源系統(tǒng)并聯(lián)工作時，為了保證模塊間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，防止一個或多個電源模塊運(yùn)行在電流極限值，而采用并聯(lián)均流控制技術(shù)，可以很好地滿足需要。文中分析了LTC4350自主均流法的工作原理和性能特點(diǎn)，采用LTC4350制作了兩塊實驗電源模塊，并讓其并聯(lián)工作，做均流和熱插拔實驗，達(dá)到了滿意的效果。

　　引　言

　　并聯(lián)的開關(guān)電源在模塊間通常需要采用均流措施。它是實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵，其目的在于保證模塊間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運(yùn)行在自身的電流極限狀態(tài)。

　　目前實現(xiàn)均流的方法有多種，而自主均流以其均流精度高，動態(tài)響應(yīng)好，容易實現(xiàn)冗余技術(shù)等特點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用。自主均流法自動設(shè)定主從電源模塊，均流電路自動讓輸出電流最大的電源模塊成為主模塊，其余的電源模塊則成為從模塊。

　　1　LTC4350均流電路原理

　　如圖1所示，感應(yīng)電阻Rsense兩端壓降的高低，代表了開關(guān)電源LTC1629輸出電流的大小，Rsense兩端電壓通過LTC4350內(nèi)部的Isense功能塊后轉(zhuǎn)化為測量電流輸出，并在增益電阻Rgain兩端形成比較電壓。此比較電壓接在內(nèi)部均流誤差放大器E/A2功能塊的反向輸入端，并與接在E/A2正向輸入端的均流母線電壓相比較，如若不相等，誤差電壓就會在內(nèi)部Iout功能塊變成電流IADJ輸出，IADJ就會在Rout兩端形成壓降，從而影響LTC1629的sense輸入端電壓，這樣，開關(guān)電源穩(wěn)壓器LTC1629就自動調(diào)整輸出電壓，直到整個電源系統(tǒng)中所有LTC4350的GAIN引腳電壓等于均流母線SB引腳的電壓時，負(fù)載電流被均勻分配了，也就達(dá)到了均流的目的。

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　　圖1　LTC4350自主均流原理示意圖

　　FB引腳外接反饋分壓電阻器，并與LTC4350的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，誤差電壓經(jīng)過內(nèi)部誤差放大器E/A1放大之后，驅(qū)動均流母線SB，如果FB引腳電壓小于或等于基準(zhǔn)電壓，二極管D1正向?qū)?，E/A1輸出驅(qū)動SB，若FB引腳電壓高于基準(zhǔn)電壓，D1截止，E/A1則與SB斷開。具有最高基準(zhǔn)電壓的LTC4350將驅(qū)動均流母線SB以及內(nèi)部與其相連的20KΩ負(fù)載電阻(每個20KΩ負(fù)載代表著一個LTC4350)，使均流母線達(dá)到適當(dāng)?shù)碾娏髦?。所有其他的LTC4350的COMP1引腳為低電位，斷開與均流母線的連接。

　　2　LTC4350軟硬故障及熱插拔保護(hù)

　　電源輸出短接到地或輸出電壓異常高一般稱之為“硬故障”，這類故障需要立即將損壞的電源模塊與負(fù)載斷開。電源開路故障和負(fù)載電流分配故障一般稱之為“軟故障”，此時電源輸出電壓雖然正常，但多個電源模塊間電流分配不均。為此，需要在開關(guān)電源LTC1629和負(fù)載之間加上兩個功率MOSFET(M1 和M2 串聯(lián)，如圖1所示)，在模塊出現(xiàn)“硬故障”和“軟故障”時，隔離故障模塊。當(dāng)電源LTC1629輸出短路，Isense功能塊檢測到Rsense上的大于30mV的反向電壓并且超過5μs時，外部功率MOSFET柵極電壓馬上降低而使M2 開路，斷開與負(fù)載的連接，過壓保護(hù)通過0V引腳外接的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視電源輸出電壓，一旦0V引腳電壓超過設(shè)定的1.22V閾值，則外部功率MOSFET的柵極電壓被拉低而使M1開路，斷開與負(fù)載的連接。

　　當(dāng)電源首先作用到UCC引腳時，功率MOSFET柵極電壓被拉低，一旦UCC升高并大于設(shè)定的摘要：多模塊電源系統(tǒng)并聯(lián)工作時，為了保證模塊間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，防止一個或多個電源模塊運(yùn)行在電流極限值，而采用并聯(lián)均流控制技術(shù)，可以很好地滿足需要。文中分析了LTC4350自主均流法的工作原理和性能特點(diǎn)，采用LTC4350制作了兩塊實驗電源模塊，并讓其并聯(lián)工作，做均流和熱插拔實驗，達(dá)到了滿意的效果。

　　0　引　言

　　由于大功率電源負(fù)載需求的增加以及分布式電源系統(tǒng)的發(fā)展，開關(guān)電源的并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)日益重要。但是并聯(lián)運(yùn)行的各個開關(guān)電源模塊特性并不一致，外特性好(電壓調(diào)整率小)的模塊可承擔(dān)更多的電流，甚至過載，從而使某些外特性較差的模塊運(yùn)行于輕載狀態(tài)，甚至基本上是空載運(yùn)行。其結(jié)果必然加大了分擔(dān)電流多的模塊的熱應(yīng)力，從而降低了可靠性。但是并聯(lián)的開關(guān)電源在模塊間通常需要采用均流措施。它是實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)的關(guān)鍵，其目的在于保證模塊間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運(yùn)行在自身的電流極限狀態(tài)。

　　目前實現(xiàn)均流的方法有多種，而自主均流以其均流精度高，動態(tài)響應(yīng)好，容易實現(xiàn)冗余技術(shù)等特點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用。自主均流法自動設(shè)定主從電源模塊，均流電路自動讓輸出電流最大的電源模塊成為主模塊，其余的電源模塊則成為從模塊。

　　1　LTC4350均流電路原理

　　如圖1所示，感應(yīng)電阻Rsense兩端壓降的高低，代表了開關(guān)電源LTC1629輸出電流的大小，Rsense兩端電壓通過LTC4350內(nèi)部的Isense功能塊后轉(zhuǎn)化為測量電流輸出，并在增益電阻Rgain兩端形成比較電壓。此比較電壓接在內(nèi)部均流誤差放大器E/A2功能塊的反向輸入端，并與接在E/A2正向輸入端的均流母線電壓相比較，如若不相等，誤差電壓就會在內(nèi)部Iout功能塊變成電流IADJ輸出，IADJ就會在Rout兩端形成壓降，從而影響LTC1629的sense輸入端電壓，這樣，開關(guān)電源穩(wěn)壓器LTC1629就自動調(diào)整輸出電壓，直到整個電源系統(tǒng)中所有LTC4350的GAIN引腳電壓等于均流母線SB引腳的電壓時，負(fù)載電流被均勻分配了，也就達(dá)到了均流的目的。

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　　圖1　LTC4350自主均流原理示意圖

　　FB引腳外接反饋分壓電阻器，并與LTC4350的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，誤差電壓經(jīng)過內(nèi)部誤差放大器E/A1放大之后，驅(qū)動均流母線SB，如果FB引腳電壓小于或等于基準(zhǔn)電壓，二極管D1正向?qū)?，E/A1輸出驅(qū)動SB，若FB引腳電壓高于基準(zhǔn)電壓，D1截止，E/A1則與SB斷開。具有最高基準(zhǔn)電壓的LTC4350將驅(qū)動均流母線SB以及內(nèi)部與其相連的20KΩ負(fù)載電阻(每個20KΩ負(fù)載代表著一個LTC4350)，使均流母線達(dá)到適當(dāng)?shù)碾娏髦?。所有其他的LTC4350的COMP1引腳為低電位，斷開與均流母線的連接。

　　2　LTC4350軟硬故障及熱插拔保護(hù)

　　電源輸出短接到地或輸出電壓異常高一般稱之為“硬故障”，這類故障需要立即將損壞的電源模塊與負(fù)載斷開。電源開路故障和負(fù)載電流分配故障一般稱之為“軟故障”，此時電源輸出電壓雖然正常，但多個電源模塊間電流分配不均。為此，需要在開關(guān)電源LTC1629和負(fù)載之間加上兩個功率MOSFET(M1 和M2 串聯(lián)，如圖1所示)，在模塊出現(xiàn)“硬故障”和“軟故障”時，隔離故障模塊。當(dāng)電源LTC1629輸出短路，Isense功能塊檢測到Rsense上的大于30mV的反向電壓并且超過5μs時，外部功率MOSFET柵極電壓馬上降低而使M2 開路，斷開與負(fù)載的連接，過壓保護(hù)通過0V引腳外接的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視電源輸出電壓，一旦0V引腳電壓超過設(shè)定的1.22V閾值，則外部功率MOSFET的柵極電壓被拉低而使M1開路，斷開與負(fù)載的連接。

　　當(dāng)電源首先作用到UCC引腳時，功率MOSFET柵極電壓被拉低，一旦UCC升高并大于設(shè)定的欠壓鎖定閾值1.244V，LTC4350的UV引腳發(fā)揮作用。如果UV引腳電壓大于1.244V，外接功率MOSFET柵極開始由10μA的電流充電，GATE 引腳電壓開始以斜率10μA/CG緩慢上升(如圖2所示)，這個緩慢充電過程允許電源輸出在不受干擾的情況下平穩(wěn)接入負(fù)載。而當(dāng)電源斷開時，UV 引腳電壓將低于1.22V，LTC4350迅速將外接功率MOSFET柵極放電，使負(fù)載與電源之間斷開，這樣就實現(xiàn)了LTC4350本身的熱插拔功能。

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　　圖2　接通電源時GATE引腳電壓

　　欠壓鎖定閾值1.244V，LTC4350的UV引腳發(fā)揮作用。如果UV引腳電壓大于1.244V，外接功率MOSFET柵極開始由10μA的電流充電，GATE 引腳電壓開始以斜率10μA/CG緩慢上升(如圖2所示)，這個緩慢充電過程允許電源輸出在不受干擾的情況下平穩(wěn)接入負(fù)載。而當(dāng)電源斷開時，UV 引腳電壓將低于1.22V，LTC4350迅速將外接功率MOSFET柵極放電，使負(fù)載與電源之間斷開，這樣就實現(xiàn)了LTC4350本身的熱插拔功能。

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　　圖2　接通電源時GATE引腳電壓

　　3　熱插拔設(shè)計

　　圖3所示為兩塊并聯(lián)工作的電源模塊方框圖，每個電源模塊都有自己的熱插拔電路設(shè)計、開關(guān)電源以及均流電路，并聯(lián)工作的模塊間享有公共的均流母線、負(fù)載線、電源輸入線Uin以及模塊故障狀態(tài)告警線STATUS。

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　　圖3　由兩塊電源模塊組成電源系統(tǒng)

　　任何一個電源模塊發(fā)生故障，如不及時地移除和更換，將會引起電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至癱瘓。因此，需要故障模塊本身能自動斷開供電系統(tǒng)，并通過STATUS引腳向系統(tǒng)發(fā)出信息(如圖4所示)，提示技術(shù)人員需要換上一個好的電源模塊。對于連續(xù)供電的電源系統(tǒng)來說，需要帶電移除和插入，當(dāng)插拔電源模塊操作時，不能給整個電源系統(tǒng)帶來干擾，以實現(xiàn)熱插拔。

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　　圖4　帶熱插拔和均流控制的開關(guān)電源模塊

　　本電路采用兩級熱插拔保護(hù)設(shè)計，其一是專用的熱插拔保護(hù)電路LT1641，主要控制外接的功率MOSFET管M5，如圖4所示，其通斷決定了輸入電壓Uin的通斷。其二是基于LTC4350本身的熱插拔電路。

　　4　實際應(yīng)用電路設(shè)計

　　考慮到實際的惡劣應(yīng)用環(huán)境，為了加強(qiáng)熱插拔的可靠性，在實際的應(yīng)用電路設(shè)計中，有必要在每個電源模塊電路中加上專用的熱插拔控制電路LT1641。因此，本設(shè)計的每個電源模塊都由三部分組成：熱插拔控制專用集成電路LT1641;開關(guān)電源集成電路LTC1629(此電路采用同步降壓電流模式控制);均流控制集成電路LTC4350。

　　實驗電源輸入Uin采用24V直流電壓，經(jīng)過同步降壓開關(guān)電源LTC1629后，實際輸出Uout(負(fù)載母線電壓)為1.6V直流電壓，輸出直流電流20A。本次實驗制作了兩塊同樣的電源模塊一起工作，可以輸出高達(dá)40A的直流電流。

　　本次實驗只做了兩塊相同的電源模塊，圖4只是其中的一塊，和另外一塊做并聯(lián)實驗時，需要把它們的Uin、Uout、GND以及SB線分別對應(yīng)連接在一起。

　　5　小　結(jié)

　　通過實驗，LTC4350很容易實現(xiàn)N+1冗余，能夠及時有效地識別失效電源，并以關(guān)斷外接的串行MOSFET管的方式隔離故障電源，允許電源系統(tǒng)其它電源模塊正常工作的情況下，移走失效電源并插入一個新電源模塊替代?？梢宰R別和定位輸出電壓低，輸出電壓高以及開路故障，并給出警示信號。