CN107086562A - 一种通过正虚拟阻抗补偿电压下垂法中电压损耗的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过正虚拟阻抗补偿电压下垂法中电压损耗的方法及电路。分别对电压下垂法中每一电源模块的采样电阻通过的电流进行采样，将各采样电阻通过的电流叠加后，以固定增益值反馈至并机输出电压的整体控制端，以统一的增益，同时调节全部电源模块。本发明，通过对采样电阻上压降进行正反馈，调节并机输出电压的整体控制信号，对每一模块的压降进行均衡性地补偿。本方法电路结构简洁，在补偿电压输出损耗的同时，还能够有效提高电压下垂法均流的精度，避免个别模块因热损耗过大而造成的供电系统整体的不稳定。
Description
技术领域
本发明涉及电源均流技术领域，尤其涉及一种补偿电压下垂法均流技术中电压损耗的方法及电路。
背景技术
直流供电系统中，通常利用并联式模块化直流输出系统，解决输出功率扩展性、可靠性以及模块化维护的问题。但实际应用中，并联模块之间，其功率登记和控制参数往往存在一定误差，各模块之间分担的电流并不均等。应用场景下，个别模块会由于分担过多电流，造成热应力过大，威胁整个系统的稳定性。
目前，为解决并联模块之间的均流问题，提出了例如：外特性下垂法、主从模块设置法、主动均流法，等，均流方法。其中，外特性下垂法，通过人为增加连接负载的电缆电阻或外加电流取样、限流电阻，增加输出阻抗，盖上均流性能，提高系统可靠性和稳定性。这种方式，利用模块输出电流的负反馈，增加电源模块的等效输出阻抗，使电源模块外特性曲线斜率增加，实现均流。以电压下垂法均流方式为例，利用该技术设计的并联电源模块之间易于扩展，且，各模块之间无需考虑耦合关系，避免了控制信号的相互干扰和EMI。该均流方式下的直流供电系统，模块化、可靠性均较高。
但同时，这种均流方式的缺点也很明显：为得到下垂特性，供电系统的负载调解率必定有所下降；且，虽然各模块内部负反馈均通过单独发闭环进行控制，但，由于并联系统整体通过电压或电流进行开环控制，因此，供电系统整体均流效果仍不理想；系统内各电源模块需分别单独调整，才能在系统级获取较好均流特性；同时，该均流方式只适用于功率等级相接近的电源模块进行并联。
具体到采用电压下垂法的并机方案中，现有技术需要通过精密电阻来采集每个单模块的电流。但由于每个精密电阻在通过电流时均会产生电压损耗，传统的电压下垂法无法通过反馈对这部分电压损耗进行补偿，因而会造成输出电压的误差。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种通过正虚拟阻抗补偿电压下垂法中电压损耗的方法及相应电路。
首先，为实现上述目的，提出一种补偿电压下垂法中采样电压损耗的方法，包括以下步骤：
第一步，分别采集每一电源模块输出端流经采样电阻的电流值IOi，i为1至N之间的整数，N为电源模块数量；
第二步，将第一步中采集到的全部电源模块输出端流经采样电阻的电流值IO1，IO2，……，IOi，……，ION累加，得到采样电流和VR+；
第三步，将所述采样电流和VR+乘以增益K，与电压设置值VSET叠加后，输入至所述电压下垂法的电压设置端。通过从电压设置值端补充采样电压损耗量，所述电压下垂法内各电源模块均会根据电压损耗量适量增大输出电压，由此补偿所述采样电压损耗。
进一步，上述补偿方法中，所述第三步中，所述增益K＝VE/(VO*N)，其中，VE为电压误差满幅值，VO为并机输出电压。
其次，为实现上述目的，还提出一种电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，包括以电压下垂法方式连接的至少2个电源模块，还包括累加器、放大器和加法器；
所述每个电源模块的采样电路输出端均分别连接所述累加器的各累加输入端，所述累加器的输出端连接所述放大器(G)的输入端，所述放大器的输出端连接所述加法器的一个输入端，所述加法器的另一输入端连接电压设置接口VSET，所述加法器的输出端同时连接所述各电源模块的误差放大器同相端。
进一步，为保证采样精度，上述电路中，所述采样电路选用差分采样。
上述电路中的补偿量通过调整所述放大器(G)的增益值K进行调整。一般取K＝VE/(VO*N)，其中，VE为电压误差满幅值，VO为并机输出电压，N为电源模块数量。
具体而言，上述电路中，所述累加器包括第二放大器、输入端串联电阻R、滤波电容C以及第二反馈电阻RF；
所述累加器的各累加输入端均分别通过输入端串联电阻R与第二放大器的正相端连接，同时，所述累加器的各累加输入端均还分别通过输入端串联电阻R与第二放大器的反相端连接；
所述第二放大器的正相端还通过并联的所述滤波电容C和所述第二反馈电阻RF接地，所述第二放大器的反相端还通过并联的所述滤波电容C和所述第二反馈电阻RF连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的输出端作为所述累加器的输出端。
同时，上述电路中，所述放大器(G)的反相端连接放大器输入串联电阻R1作为输入端，连接所述累加器的输出端；
所述放大器(G)的正相端通过电阻接地；
所述放大器(G)的输出端和反相端之间还连接有第一反馈电阻Rf。
具体的，上述电路的累加器中，输入端串联电阻R与所述第二反馈电阻RF阻值相等，或，所述第二反馈电阻RF阻值为K倍输入端串联电阻R的阻值。
上述电路的放大器中，所述第一反馈电阻Rf的阻值为K倍反相端连接放大器输入串联电阻R1的阻值。
有益效果
本发明，将电压下垂法中每一个电源模块的因采样电阻造成的电压损耗进行采样并累加，以固定增益值获得需要补偿的电压损耗数值，反馈至并机输出电压的整体控制端，即，电压设置接口VSET。在电压设置接口VSET增加对电压损耗分量的补偿量，以此设置具体各个电源模块的输出值。本发明通过对采样电阻上压降进行正反馈，调节并机输出电压的整体控制信号，对每一模块的压降进行均衡性地补偿。由于所有电源模块均采用统一的补偿量补偿其电压损耗，因此，本发明所提供的电路结构简洁。
此外，本发明中，具体补偿的具体增益值K可通过电压误差满幅值VE、并机输出电压VO和电源模块数量N直接获得，直接通过电路中反馈电阻与输入串联电阻的阻值比例即可获得相应增益，实现方式简单，电路效率高。这种方式下，无需单独对系统内各电源模块进行分别单独的调整。通过统一的增益值即可实现相同的调节效果。
此外，本发明通过补偿电压损耗，提高电源模块控制环路的控制精度，从而从整体上提升电源系统中控制回路的精度以及稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的实施例中电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路框图；
图2为根据本发明的实施例中累加器和放大器的实现电路示意图；
图3为本发明实施例中误差放大和电压反馈电路的实现方式示意图；
图4为现有2电源模块组成的电压下垂法电源结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明的电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路框图，相较于图4所示的传统电压下垂法实现电路，本实施例所提供的电路增加了累加器、放大器G和加法器。
图1中，
VSet:并机输出电压设置信号
VS1和VS2:分别是模块一和模块二VOUT的输出电压采样信号
VE1和VE2:分别是模块一和模块二的误差放大器信号
VIN:并机输入电压
VOUT:并机输出电压
RS1和RS2：分别是模块一和模块二的输出电压采样电阻
VR1和VR2：分别是模块一和模块二的经过差分采样过后的电压信号
VR+:模块一VR1和模块二VR2的两信号的经过加法器过后的电压信号，此信号反馈，作为本发明中的正虚拟阻抗
G:增益为K的放大器。
在两个电源模块组成的电压下垂法电源电路中，2个电源模块的采样电路输出端VR1、VR2均分别连接至所述累加器的一个累加输入端，所述累加器的输出端将采样电流和VR+连接至所述放大器G的输入端，所述放大器的输出端连接所述加法器的一个输入端，所述加法器的另一输入端连接电压设置接口Vset，所述加法器的输出端VEST’同时连接所述各电源模块的误差放大器同相端。
上述电路按照下述方法步骤对采样电压损耗进行处理：
第一步，分别采集每一电源模块(本实施例中电源模块数量N＝2)输出端流经采样电阻的电流值VR1、VR2；
第二步，将第一步中采集到的全部电源模块输出端流经采样电阻的电流值VR1、VR2累加，得到采样电流和VR+；
第三步，将所述采样电流和VR+乘以增益K，与电压设置值Vset叠加后，输入至所述电压下垂法的电压设置端。通过从电压设置值端补充采样电压损耗量，所述电压下垂法内各电源模块均会根据电压损耗量适量增大输出电压，由此补偿所述采样电压损耗。
为了补偿因采样电阻造成的电压损耗，可以先将VR1和VR2相加并在实际调试中通过调整K，来调整VR+信号的大小，再将VR+与VSet相加，然后把此信号同时送给模块一和模块二的误差放大器的正端，分别与VS1和VS2做误差放大，经各自的PWM产生器来调整输出电压，既完成了均流也补偿了各自的电压损耗。
具体的分析过程如下：若模块一在任意时刻输出电流增大，VR1与误差放大器一相减，会导致误差放大器VE1减小，接着经PWM产生器后模块一占空比减小，促使模块一的输出电压降低使得模块一的输出电流变小，达到自动均流的目的。同时因各模块上RS1和RS2的存在都会产生与各自输出电流乘积的电压损耗即有效输出电压变小，此时可以根据实际电路通过调整系数K的大小来调整正虚拟阻抗VR+的大小，VR+和VSet相加后得到VEST’相对于之前的VSet会变大，由于变大之后的VSET’信号会分别送达各模块的误差放大器的正端，使VE1，VE2增大最后各自模块的占空比增加，各自输出电压增加，达到了补偿有效输出电压变小的功能。
因此，第三步中，所述增益K＝VE/(VO*N)，可采用如图2所示的硬件电路实现。计算式中，VE为电压误差满幅值＝5V，VO为并机输出电压＝80V。
假设并机输出电压为VO，输出电流为IO,输出电压变化率为0.1％，均流精度为1％，那么输出阻抗R＝电压变化量/电流变化量,即R＝0.1％*VO/1％*IO＝0.1*VO/IO,这里我们可以直接将每个模块的采样电阻RS就设定为R值，则RS＝0.1*VO/IO,那么每个模块因采样电阻的损耗Vreduce≈(IO/N)*RS＝(0.1*VO/IO)*(IO/N)＝0.1*VO/N,由控制理论可以知道输出变化量如果为0.1*VO/N，那么控制环当中必然有0.1*VE/N的变化量，也就是VE需要调节的均流量为0.1/N,这里N为并联模块数，此时我们可以确定每路模块需要补偿的电压值为0.1*VE/N,即VR+*K＝0.1VE/N,假设VE满幅值为5V,VO＝80V,IO＝100A,有2模块并联，那么每路需要补偿的电压值为0.1*5V/2＝0.25V,则K＝0.25V/VR+,而VR+等于每模块采样电阻上的采样电流和，VR+＝VR1+VR2。
VR1＝R*IO1，VR2＝R*IO2，R＝0.1*80V/100A＝80mR,因而，VR+＝80mR(IO1+IO2)。
那么K＝0.25V/80mR(IO1+IO2)＝0.25V/0.08R*100A＝0.03。当然，工程上K值还需根据实际电路进行优化。
具体的，上述将数据求对数、求方差，具体采用那种数据加工方式由所采用的算法决定。
进一步地，为保证采样精度，上述电路中，所述采样电路选用差分采样。
图2中，具体的，上述电路中的累加器和放大器G的电路结构如图2所示。
所述累加器包括第二放大器、输入端串联电阻R、滤波电容C以及第二反馈电阻RF：
这里的滤波电容C并不是电路必须。同样的电路结构下，此处可以是单独C，也可以通过电阻R和电容C串联，或者，通过单独的电容C和另外的电阻R、电容C串联再并联实现类似的功能。
所述累加器的各累加输入端均分别通过输入端串联电阻R与第二放大器的正相端连接，同时，所述累加器的各累加输入端均还分别通过输入端串联电阻R与第二放大器的反相端连接；
所述第二放大器的正相端还通过并联的所述滤波电容C和所述第二反馈电阻RF接地，所述第二放大器的反相端还通过并联的所述滤波电容C和所述第二反馈电阻RF连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的输出端作为所述累加器的输出端。
此处正虚拟阻抗电压值＝(VR1+VR2+…+VRn)*RF/R。
其中，输入端串联电阻R与所述第二反馈电阻RF阻值相等，或，所述第二反馈电阻RF阻值为K倍输入端串联电阻R的阻值。
所述放大器G的反相端连接放大器输入串联电阻R1作为输入端，连接所述累加器的输出端：
所述放大器(G)的正相端通过电阻接地；所述放大器(G)的输出端和反相端之间还连接有第一反馈电阻Rf。
其中，所述第一反馈电阻Rf的阻值为K倍反相端连接放大器输入串联电阻R1的阻值。
所述第一反馈电阻Rf的阻值为K倍反相端连接放大器输入串联电阻R1的阻值。
上述电压下垂法中，误差放大模块和电压反馈模块电路的具体结构可选用如图3所示的结构实现。
本发明技术方案的优点主要体现在：相比于一般均流电源，本专利的均流精度可以做到小于等于5％，而现有的均流精度仅能够保证小于等于额定电流的5％。本专利在保证均流精度的同时还可以补偿采样造成的压降误差。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种补偿电压下垂法中采样电压损耗的方法，其特征在于，步骤包括：
第一步，分别采集每一电源模块输出端流经采样电阻的电流值IOi，i为1至N之间的整数，N为电源模块数量；
第二步，将第一步中采集到的全部电源模块输出端流经采样电阻的电流值IO1，IO2，……，IOi，……，ION累加，得到采样电流和VR+；
第三步，将所述采样电流和VR+乘以增益K，与电压设置值VSET叠加后，输入至所述电压下垂法的电压设置端，补偿所述采样电压损耗。
2.如权利要求1所述的补偿电压下垂法中采样电压损耗的方法，其特征在于，所述第三步中，所述增益K＝VE/(VO*N)，其中，VE为电压误差满幅值，VO为并机输出电压。
3.一种电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，包括，以电压下垂法方式连接的至少2个电源模块，其特征在于，还包括累加器、放大器(G)和加法器；
所述每个电源模块的采样电路输出端均分别连接所述累加器的各累加输入端，所述累加器的输出端连接所述放大器(G)的输入端，所述放大器的输出端连接所述加法器的一个输入端，所述加法器的另一输入端连接电压设置接口VSET，所述加法器的输出端同时连接所述各电源模块的误差放大器同相端。
4.如权利要求3所述电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，其特征在于，所述采样电路为差分采样。
5.如权利要求4所述电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，其特征在于，所述放大器(G)的增益值K＝VE/(VO*N)，其中，VE为电压误差满幅值，VO为并机输出电压，N为电源模块数量。
6.如权利要求5所述电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，其特征在于，所述累加器包括第二放大器、输入端串联电阻R、滤波电容C以及第二反馈电阻RF，
所述累加器的各累加输入端均分别通过输入端串联电阻R与第二放大器的正相端连接，同时，所述累加器的各累加输入端均还分别通过输入端串联电阻R与第二放大器的反相端连接，
所述第二放大器的正相端还通过并联的所述滤波电容C和所述第二反馈电阻RF接地，所述第二放大器的反相端还通过并联的所述滤波电容C和所述第二反馈电阻RF连接所述第二放大器的输出端，所述第二放大器的输出端作为所述累加器的输出端。
7.如权利要求6所述电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，其特征在于，所述输入端串联电阻R与所述第二反馈电阻RF阻值相等，或，所述第二反馈电阻RF阻值为K倍输入端串联电阻R的阻值。
8.如权利要求5所述电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，其特征在于，所述放大器(G)的反相端连接放大器输入串联电阻R1作为输入端，连接所述累加器的输出端；
所述放大器(G)的正相端通过电阻接地；
所述放大器(G)的输出端和反相端之间还连接有第一反馈电阻Rf。
9.如权利要求8所述电压下垂法中采样电压损耗的补偿电路，其特征在于，所述第一反馈电阻Rf的阻值为K倍反相端连接放大器输入串联电阻R1的阻值。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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