DC-DC電源模塊的并聯(lián)供電技術(shù)分析

劉賓

摘要：隨著科技快速發(fā)展，開關(guān)電源應(yīng)用越來越廣泛，目前采用單一集中式電源供電較多，多種輸出參數(shù)難以滿足要求。因此，DC-DC開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其實(shí)現(xiàn)了兩個開光電源的并聯(lián)供電，按照一定比例自動分配電流。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來完成采集模塊和電流工作，在通過控制模塊電流，來實(shí)現(xiàn)主從模塊按比例輸出電流供給負(fù)載。DC-DC主從模板是由開關(guān)電源控制芯片為中心，完成PWM產(chǎn)生工作，BUGK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和反饋電阻構(gòu)成，這個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)比例的并聯(lián)穩(wěn)壓供電，最大輸出功率能達(dá)到4A-8V直流。本文提出了一種 DC-DC 開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)技術(shù)方案。兩路 DC-DC 變化器采用BUCK 結(jié)構(gòu)，MOS 管代替二極管續(xù)流，采樣模塊實(shí)時監(jiān)測輸出電壓電流，PID 算法、閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)均流，該方案具有體積小、供電效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電源可持續(xù)應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：DC-DC;同步整流;BUCK結(jié)構(gòu);續(xù)流;均流技術(shù)

一、前言

近年來，我國已逐漸意識到開關(guān)電源并聯(lián)技術(shù)對電源的重要性，并已普及到各大行業(yè)當(dāng)中。同時，在建設(shè)并聯(lián)開關(guān)電源模板過程當(dāng)中，通常是使用均流方式，這時提高電源系統(tǒng)功率的關(guān)鍵點(diǎn)，為了確保模板間熱應(yīng)力和電流應(yīng)力能均勻分配，避免出現(xiàn)多臺模塊或一臺模塊運(yùn)行時出現(xiàn)電流極限值狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員一般會采用均流技術(shù)設(shè)計(jì)電路，這同樣是目前電力設(shè)計(jì)的問題。

二、設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)主要有以下幾個功能：第一，調(diào)整負(fù)載電壓和額定輸出功率工作情況，將供電系統(tǒng)直流輸出電壓控制在U0=（8.0±0.4） V;第二，確保在額定輸出功率工作環(huán)境下，供電系統(tǒng)效率要高于60%;第三，控制負(fù)載電阻，確保其輸出電阻一直保持在U0=（8.0±0.4） V，讓兩個模塊輸出電流總和在0=1.0 A，并且嚴(yán)格按照 I 1∶I 2=1∶1 模式來自主分配電流，同時確保其輸出電流的相對誤差不能大于5%;第四，完成輸出電流過流保護(hù)作用;第五，調(diào)整負(fù)載電壓，讓其穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，昂兩個模塊輸出電流和，要符合其他數(shù)據(jù)和分配比例。

三、系統(tǒng)方案整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)方案主要是以兩個BUCK變換器作為基礎(chǔ)，以采樣電路、主控電路、DC-DC降壓式電路、PWM模塊、驅(qū)動電路等部分為載體構(gòu)成。主控芯片是通過合理利用電壓電流數(shù)據(jù)來控制輸出PWA波的占空比，從而有效控制開關(guān)頻率，使用閉環(huán)控制電壓電流，能提高電流電壓的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

四、各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、DC-DC模塊

在DC-DC模塊系統(tǒng)方案當(dāng)中，將兩個性質(zhì)相同的BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為核心，其主要目的是為了讓電感維持在電流狀況，放置對電路閉環(huán)時，給電流和電壓造成振蕩問題。同時為了有效降低電路消耗，本次研究方案是采用導(dǎo)電系數(shù)較高的開關(guān)IRF3205，其導(dǎo)電系數(shù)不超過8毫歐，耐壓值控制在55V左右，額定電流則一直保持在110A。以下公式是BUCK電流濾波電感計(jì)算。

為了有效提高輸出電流穩(wěn)定性和連續(xù)性，本設(shè)計(jì)將L1值定義在800uh。為了防止電感出現(xiàn)飽和情況，并且能提升電感儲存功能，本次設(shè)計(jì)選擇了表面直徑為4.8cm的鐵粉磁環(huán)繞制電感。由于電流值會提高到2-3A，為了極大降低電感線圈的發(fā)熱消耗，則是使用2股直徑為0.64mm漆包線纏繞。

2、MOS管驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

從圖3內(nèi)容不難看出，MOS管理驅(qū)動電路合理利用了波形互補(bǔ)的可編程芯片，而PWM波形將2腳作為初始點(diǎn)，再通過LO和HO兩條輸出兩路來控制兩個MOS管理啟動和關(guān)閉工作。C1/C2和D5作為自舉電容核自舉二級管，將兩者連接起來，能具有電流配合的作用，可實(shí)現(xiàn)電壓自舉的效果，能提高VS電位，讓整個PWM輸出更加持續(xù)和穩(wěn)定，而二極管則是為了避免電流倒灌的作用[1]。

3、電流采樣電路

電路采樣電路一般會選擇高邊電流采樣方案，而按照高邊電流采樣基本要求，放大器必須要具有高共模抑制比和大動態(tài)輸入范圍。針對這一情，IT公司對專門使用了高邊電流采樣芯片，型號為INA282;采樣電阻則選擇具有溫度系數(shù)小、精確可控、耐高溫特征的康銅絲電阻（如圖4所示）。

在正常情況下，INA282增益效果值為50，而采樣電阻阻值以RS為標(biāo)準(zhǔn)值，所測出來的反饋電壓為。

4、過流保護(hù)電路

過流保護(hù)主要由保護(hù)電路、電流采樣電阻、運(yùn)算放大電路幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過運(yùn)算放大電阻來控制采樣電阻兩側(cè)電壓，可間接了解到對電阻兩端電流，再使用LM358比較器，設(shè)置合理電流值，當(dāng)電路電流值超過設(shè)定值時，整個電路供電會隨即斷開，確保電路的安全性和穩(wěn)定性[3]。

五、均流技術(shù)-PID算法

使用才采樣DC-DC模板1的輸出電流，來合理控制DC-DC模式的開光波，讓整個模塊電流和電壓一直保持在設(shè)定值;利用負(fù)載兩側(cè)電壓，能有效控制DC-DC模塊2的開關(guān)波，同時將負(fù)載兩側(cè)電壓值定義為V0。當(dāng)負(fù)載電阻持續(xù)在一定值性，這時負(fù)載電壓和輸出總電流處于穩(wěn)定狀態(tài)，又因?yàn)镈C-DC模塊1輸出電流同樣穩(wěn)定，可判斷出DC-DC模塊2輸出電壓和電流非常穩(wěn)定。[4]。

總結(jié)

綜上所述，本文研究了DC-DC開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)，提出了相關(guān)的技術(shù)方案。這種設(shè)計(jì)方案是以多模塊并聯(lián)操作為基礎(chǔ)，能合理解決市場集中式電源單一問題。從目前實(shí)際測試數(shù)據(jù)來看，一般情況下電路供電效率以突破了97.20%，電流分配效果非常好，能有效應(yīng)用在各個開光電源行業(yè)，其具有利用率高、電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，在未來經(jīng)濟(jì)市場當(dāng)中能具有非常廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成林千，何立群，朱燦焰，等. 三相AC/DC型電力電子變壓器高頻直流環(huán)節(jié)回流功率優(yōu)化控制研究[J]. 電源學(xué)報，2021，19（4）：118-128.

[2] 施鴻波，吳新科，郭清. 基于低壓器件的高效高功率密度串聯(lián)諧振DC-DC變換器[J]. 電源學(xué)報，2021，19（2）：8-14.

[3] 何世磊，趙艷，徐鶴，等. 一種基于SMT32單片機(jī)控制的DC-DC電源模塊輸入短路保護(hù)自恢復(fù)電路[J]. 中國科技信息，2020（1）：63-64.

[4] XP Power推出新款高壓DC-DC電源模塊，適合科研和半導(dǎo)體應(yīng)用[J]. 電子質(zhì)量，2020（1）：47.