CN1112749C

CN1112749C - 一种全负载范围内精确均流装置

Info

Publication number: CN1112749C
Application number: CN 99117168
Authority: CN
Inventors: 周建平
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: CN1287398A

Abstract

本发明为全负载范围内精确均流装置，属于分布式直流电源系统；包括电压误差放大器和均流控制器，所述均流控制器中，电阻R9与电容C3并联在运算放大器负输入端和输出间，R10、R11与+5V电源构成偏置电路接运算放大器正输入端，反馈电阻R9与R10、R11满足关系式R10+R11＝2R9；本发明电路简单，参数设置与调试方便易行，能实现以平均电流为基准的双向调节，且在全负载范围内达到高精度；本发明可在通信电源系统，电力电源系统等直流输出开关电源系统中应用。

Description

一种全负载范围内精确均流装置

技术领域

本发明涉及分布式直流电源系统，特别是涉及一种同容量输出的直流电源模块并联时的自动均流装置。

背景技术

电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统。在通信电源系统中，分布式电源系统被普遍采用，即指N+n台电源模块并联组合使用，其中N台用以供给负载所需电流，n台(一般n＝1)为冗余模块，它可以保证电源系统即使同时有n台模块发生故障，仍能提供100％的负载电流，增加了系统的容错冗余功率。此外，采用冗余技术，还可实现热更换，即在保证系统不间断供电的情况下，更换系统的失效模块。

因而，基于大功率负载需求和分布式电源系统的发展，电源模块的并联均流技术显得日益重要。并联均流技术可以保证模块间的电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在限流状态。它是实现大功率电源系统的关键，使各个电源模块的功率半导体器件的电流应力减小，大幅提高系统的可靠性。并联均流的基本要求是：各模块承受的电流能自动平衡，实现均流；为提高系统的可靠性，尽可能不增加外部均流控制的措施，并使均流与冗余技术结合；当输入电压或负载电流变化时，应保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响应好。

目前，现有技术中均流装置的方案有很多，其中基于平均电流法的自动均流装置可以在一定范围内实现均流，其均流母线上的参考值并不代表各模块中的最大电流，而是各并联模块输出电流的平均值。各并联模块无主从关系，相互之间的关系是平等的，故又称之为无主低差自动均流法。这种装置的电路结构简单，它由均流控制器和输出电压调整器组成闭环系统，它们的均流控制调整方式是单向调整，这种单向调整方式的不足之处为并非所有的电源模块主动地参与均流调节，而是只有输出电流比平均电流大的模块主动降低其输出电压，或者只有输出电流比平均电流小的模块主动抬高其输出电压，实现均流调节，因而均流动态调节范围有限，不能实现全负载范围内均流度一致的精确均流，只能保证某一段负载范围内均流效果一致。要实现高精度的均流，单向调整方式的均流控制器参数设计较困难，有时只能在调试时进行参数试凑，很难达到最佳均流效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是基于平均电流法自动均流的基本原理提出了一种简单实用的可实现全负载范围内精确均流的装置。

本发明一种全负载范围内精确均流装置，包括一个由第二运算放大器A2及外围电路构成比例积分环节的电压误差放大器，电阻R8与电容C6串联后，接在第二运算放大器A2的反向输入端与输出端之间，输出电压反馈Vf接第二运算放大器A2的反向输入端，输出电压参考Vr通过电阻R6接第二运算放大器A2的正向输入端，电阻R7与电容C4并联后，其一端接第二运算放大器A2的正向输入端，另一端接地；第二运算放大器A2的输出Ve接到功率级，用于调节变换电路占空度；其特征在于：还包括能双向调节的均流控制器，所述均流控制器中，反馈电阻R9与抗干扰电容C3并联跨接在第一运算放大器A1负输入端和输出端之间，两偏置电阻R10、R11串联后一端接第一运算放大器A1的正输入端，一端接+5V电源，电阻R2的一端与第一运算放大器A1的正输入端连接，电阻R4的一端与第一运算放大器A1的负输入端连接，电阻R1的一端与R4的另一端相连后，再接电流采样放大电路，电阻R1的另一端与电阻R2的另一端相连后再连接到均流母线上；第一运算放大器A1的供电端接+15V电源，第一运算放大器A1的输出端通过两限流电阻R3和R5串联后连接第二运算放大器A2的正输入端。

本发明还采取了如下的技术措施：

在第一运算放大器的输出端的两限流电阻R10、R11中间连接点接稳压二极管；在第一运算放大器的供电端接入滤波电容C1。

本发明与现有技术相比，电路实现简单。用一带偏置电路的线性运算放大器即可实现均流控制。线性运放的输入端分别是本模块输出电流信号和平均输出电流信号。同时，在运算放大器的正输入端施加了一正向偏置电路。在单模块运行时，只要合理设置参数，就可实现无论本模块输出电流的大小如何变化，该运放的输出都保持恒定不变。所以该均流电路不会影响单模块测试时的负载调整率。

用带偏置电路的线性运算放大器实现均流控制时，该线性运算放大器A1输出可在偏置值附近上下浮动，因而它既可抬高电压误差放大器的参考输入，又可拉低电压误差放大器的参考输入，也就是说，输出电流大的模块能有效地降低其输出，输出电流小的模块能有效地增加其输出，实现双向调整。所以本均流方案的电流动态调整范围较宽。

本发明普遍适用于多个电源模块直接并联输出的直流电源系统中，是一种简单实用理想的均流装置，为实现电源系统的冗余设计，提高电源系统的可靠性创造了条件。本发明可以在诸如通信电源系统，电力操作电源系统等直流输出开关电源系统中大力推广，具有潜在的积极的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是与本发明最接近的现有技术采用的自动均流装置原理示意图；

图2是本发明全负载范围内精确均流装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。在图1中调节电源模块输出的电压误差放大器A一般是比例积分环节，它的输入分别是输出电压反馈Vf和输出电压参考Vr，它的输出是调节功率级变换电路占空度的电压误差信号Ve。从图1中可以看出电压误差放大器的参考输入端是受均流控制器的输出Vi影响的。V1是本电源输出电流经采样放大后得到的反映本模块输出电流大小的电压信号，作为均流控制器的一个输入；V0是从通过一电阻R1与各电源模块输出电流信号相连的均流母线上取得的，反映各电源模块输出电流的平均电流值，作为均流控制器的另一个输入；Vi是均流控制器的输出。均流控制器是均流电路的核心，它的性能优劣直接影响系统的均流效果，其内部的具体实现电路不是很多，常见的是用积分运算放大器作为均流控制器或者用比较器和RC滤波器配合使用作为均流控制器，这些均流控制器的基本工作原理是在电源模块单独使用或者多个电源模块并联工作时本模块输出电流V1小于平均输出电流V0时，均流控制器的输出Vi是正向饱和输出的，二极管D1反偏，均流控制器的输出Vi对电压误差放大器A的参考输入端不造成影响，只有当本模块输出电流V1大于平均输出电流V0时，均流控制器的输出Vi才从正向饱和输出向下调整，直到二极管D1正偏，拉低电压误差放大器A的参考输入端，进而降低电源模块的输出电压，达到平均分配各电源模块输出电流的目的。所以，从均流控制器的基本工作原理可以得出，其均流控制调整方式是单向调整，即只有本模块输出电流大于平均输出电流的模块才参与调整，降低本模块的输出电压，从而减小本模块输出电流，达到均流的目的。这种单向调整方式的不足之处是并非所有的电源模块全部改变其输出电压，主动地参与均流调节，而是只有输出电流比平均电流大的模块主动降低其输出电压，参与均流调节，因而单向调整方式的均流动态调节范围有限，不能实现全负载范围内均流度一致的精确均流，只能保证某一段负载范围内均流效果一致。此外，要实现高精度的均流，单向调整方式的均流控制器参数设计也较困难，有时只能在调试时进行参数试凑，不能达到最佳均流效果。

图2给出了本发明全负载范围内精确均流装置原理图，从图2中可以看出调节电源模块输出的电压误差放大器仍采用与现有技术一样的结构，故其参考输入端还是受均流控制器的输出Vi影响。第一运算放大器A1是带偏置电路的线性比例放大器，起到均流控制器的作用。R9是放大器的反馈电阻，此电阻的阻值越大，则放大器的放大倍数越高，均流效果应越精确。抗干扰电容C3的作用是去除高频干扰对均流控制器的影响，同时还能避免因均流控制器参与系统输出电压的调节而导致系统闭环不稳定。为使均流控制器能进行双向调节，本发明特增加了由+5V电源与R10，R11构成此放大器的偏置电路，作为均流控制器的其中一个输入；V1是本电源模块输出电流经采样放大后得到的反映本模块输出电流大小的电压信号，作为均流控制器的另一个输入；V0是从通过一电阻R1与各电源模块输出电流信号相连的均流母线上取得的，V0反映了并联的各电源模块输出电流的平均电流值，作为均流控制器的第三个输入。Vi是均流控制器的输出，送入到电压误差放大器的参考输入端，进而调整电源模块的输出电压，达到平均分配各电源模块输出电流的目的。比如当本模块输出电流V1小于平均输出电流V0时，均流控制器的输出Vi增大，电压误差放大器的参考输入也随之提高，本模块的输出电压增大，本模块输出电流提高，反之亦然；从而使超过平均电流的电源模块和低于平均电流值的模块都可以得到调节，即实现了双向调节。

稳压二极管D1的作用是为了防止线性比例放大器A1失控，或损坏而导致正饱和输出时，钳位均流控制器的输出，使其对电压误差放大器A2参考输入端的影响限制在允许的范围内。

单台电源模块工作时，均流母线浮空，不具有平均电流值的含义。均流控制器的输入就只有+5V的偏置电路和反映本模块输出电流的电压信号V1。此时先设定电阻参数：R1＝R4＝R2＝1K，经过推导可以发现，只要满足条件：R10+R11＝2R9，则无论反映本模块输出电流大小的电压信号V1如何改变，均流控制器的输出Vi始终保持偏置电压+5V不变。从而保证了单台电源模块工作时，其输出负载调整率不会因为此均流控制器的加入而受影响。

推导过程如下：

根据线性电路的叠加原理，首先单独将均流控制器的+5V偏置输入端对地短接，线性比例放大器A1的第3脚电位是：

V_{3} = V_{1} \times \frac{R 10 + R 11}{R 10 + R 11 + R 1 + R 2}

线性比例放大器A1的第2脚与第3脚虚短，所以线性比例放大器A1的第2脚电位是：

V₂＝V₃

均流控制器的输出Vi1的电位是：

Vi 1 = \frac{V_{2} - V_{1}}{R 4} \times (R 4 + R 9) + V_{1}

综合上述三个表达式，可以得出本模块输出电流V1与均流控制器输出Vi1的关系为：

Vi 1 = \frac{R 4 + R 9}{R 4} (\frac{R 10 + R 11}{R 10 + R 11 + R 1 + R 2} - 1) \times V_{1} + V_{1}

然后单独将均流控制器的反映本模块输出电流大小的电压信号端V1对地短接，线性比例放大器A1的第3脚电位是：

V_{3} = 5 \times \frac{R 1 + R 2}{R 1 + R 2 + R 10 + R 11}

由于线性比例放大器A1的第2脚与第3脚虚短，所以线性比例放大器A1的第2脚电位是：

V₂＝V₃

均流控制器的输出Vi2的电位是：

Vi 2 = \frac{V_{2}}{R 4} \times (R 4 + R 9)

综合上述三个表达式，可以得出+5V偏置输入与均流控制器的输出Vi2的关系为：

Vi 2 = \frac{R 4 + R 9}{R 4} \times \frac{R 1 + R 2}{R 1 + R 2 + R 10 + R 11} \times 5

运用线性电路的叠加原理，均流控制器的总输出Vi是：

Vi = Vi 1 + Vi 2 = - \frac{R 4 + R 9}{R 4} \times \frac{R 1 + R 2}{R 10 + R 11 + R 1 + R 2} \times V_{1} + V_{1} + \frac{R 4 + R 9}{R 4} \times \frac{R 1 + r 2}{R 1 + R 2 + R 10 + R 11} \times 5

从上述表达式可以看出，只要合适地配置电阻参数，使之满足以下表达式，就能使均流控制器的输出Vi恒定为5V。即令：

\frac{R 4 + R 9}{R 4} \times \frac{R 1 + R 2}{R 10 + R 11 + R 1 + R 2} = 1

在上式中，为简化分析，便于参数设计，先设R1＝R4＝R2＝1K，再令R10+R11＝2R9，即可满足Vi恒定为5V。图2给出的本发明中，取R10＝51K，R11＝3K，则R9＝54K。

所以，均流控制器的输出Vi不随本模块输出电流大小的变化而变化，它只随反映本模块输出电流大小的电压信号V1和反映各电源模块平均输出电流的电压信号V0的差值变化而变化，并且是以输出偏置电压+5V为基点，上下变化，达到增大或减小电压误差放大器的参考输入的目的，从而实现了双向调节电源模块的输出电压平均分配输出电流的目的。

Claims

1一种全负载范围内精确均流装置，包括一个由第二运算放大器A2及外围电路构成比例积分环节的电压误差放大器，电阻R8与电容C6串联后，接在第二运算放大器A2的反向输入端与输出端之间，输出电压反馈Vf接第二运算放大器A2的反向输入端，输出电压参考Vr通过电阻R6接第二运算放大器A2的正向输入端，电阻R7与电容C4并联后，其一端接第二运算放大器A2的正向输入端，另一端接地；第二运算放大器A2的输出Ve接到功率级，用于调节变换电路占空度；其特征在于：还包括能双向调节的均流控制器，所述均流控制器中，反馈电阻R9与抗干扰电容C3并联跨接在第一运算放大器A1负输入端和输出端之间，两偏置电阻R10、R11串联后一端接第一运算放大器A1的正输入端，一端接+5V电源，电阻R2的一端与第一运算放大器A1的正输入端连接，电阻R4的一端与第一运算放大器A1的负输入端连接，电阻R1的一端与R4的另一端相连后，再接电流采样放大电路，电阻R1的另一端与电阻R2的另一端相连后再连接到均流母线上；第一运算放大器A1的供电端接+15V电源，第一运算放大器A1的输出端通过两限流电阻R3和R5串联后连接第二运算放大器A2的正输入端。

2根据权利要求1所述的一种全负载范围内精确均流装置，其特征在于：位于所述第一运算放大器的输入端一侧的电阻满足：R1＝R4＝R2；所述偏置电阻R10、R11与反馈电阻R9的关系满足：R10+R11＝2R9。

3根据权利要求1所述的一种全负载范围内精确均流装置，其特征在于：在第一运算放大器A1的输出端的两限流电阻R3、R5中间连接点接稳压二极管D1，在第一运算放大器的供电端接入滤波电容C1。

4根据权利要求2所述的一种全负载范围内精确均流装置，其特征在于：位于所述第一运算放大器的输入端一侧的电阻满足：R1＝R4＝R2＝1K。