TW508897B - DC/DC converter capable of distributing current equally in parallel - Google Patents

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508897 五、發明說明（i) ^ m [創作背景] 電子設備中，直/直流轉換器一直都扮演一個相當重要的角色。一般而言，直/直流 轉換器就組態而言，可區分爲隔離型(isolated type)與非隔離型(non-isolated type);若就控制 模式而言，則可區分爲電流模式控制(current mode control)與電壓模式控制(voltage mode control)。而電流模式控制型又分爲平均電流模式控制型(average current mode control)與峰値 電流模式控制型(peak current mode control)兩大類。然而就使用者之用電安全與轉換器之聲 頻忍受度(audio-susceptibility)觀點言之，具隔離型且以峰値電流模式控制之直/直流轉換 器，一直爲設計工程所青睐。此外爲配合實務所需，一直/直流轉換器除需有基本之輸入(+In， ignd)端子與輸出端子(+0ut，Ognd)外，最少另須具有正負感應端子(+Sense，-Sense)，調整端 子(Trim)與數位啓斷(ΟΝ/OFF)端子，以方便使用者視實際情況以玆利用，圖一所示爲一直/ 直流轉換器之端子示意圖。 當實際負載增加已超出原設計直/直流轉換器所能提供之額定電流時，雖然更換直/直流轉 換器即可滿足要求、，但單模組之直/直流轉換器其原供電可靠度低之缺點，依然存在且不符 合經濟成本；另一較可行之方式如圖二所示，並聯N個同樣的直/直流轉換器單元於原直/直 流轉換器，並利用可變電阻與直/直流轉換器之調整端子(Trim)來達到調整輸出電壓使之一 致目地。雖然此種方式具有低成本、高可靠度等優點，但因各直/直流轉換器之輸出阳.抗不 可能完全相同之事實，將導致各組直/直流轉器之電流分擔差異過大。因此，有很多文獻提 出解決於多模組直/直流轉換器並聯之負載電流平均分配問題。其中，又以如第三圖所示之 單均流線式的並聯方法最簡單。這種方法之主要好處如下： ⑴無須外加中央控制單元(central control unit)來處理電流分配問題。因爲外加中央控制單元

第4頁 508897 五、發明說明（2) 、 除¥增加成本與佔用空間外，中央控制單元一但故障即導致當機(shut down)(系統可靠度 降低）。値得一題的，是爲了增加供電可靠度，亦有採用單線式並聯外加中央控制單元爲 輔助的系統出現。 ⑺無主僕(master-slave)模組之分。各模組間以匯流排相接以爲電流分配之參考，但各模組爲 獨立(autonomous)並不以某一個模組爲標準，沒有主模組故障即當機的問題。 因此現在大型直流電源供應系統大都採用這一種方法。但是這一種方法還存在一些問 題，例如在負載發生大變化或是某些模組故障必須重新分配電流時，模組均流之響應如果太 慢，則在暫態(transient)時會產生短暫電流不平均之現象，進而造成供電系統當機。即當N+1 個直/直流轉換器單元中之任一個模組電流過大，而且進入限流(current limit)保護狀態並發出 告警時，此時由原來之N+1個直/直流轉換器單元之供電系統，將變成N個直/直流轉換器單 元供電系統，續而演進再一次之暫態現象，又導致N個直/直流轉換器單元供電系統中之任 一個模組電流過大，而且進入限流(current limit)保護狀態並發出告警，此時由N個直/直流轉 換器單元之供電系統，又將變成N-1個直/直流轉換器單元供電系統。因此吾人可知若模組 之均流響應太慢，一但有負載發生大變化或是某些模組故障必須重新分配電流時，則由N+1 個直/直流轉換器單元所組成之供電系統，將依序地遞減直/直流轉換器之數目，最後造成供 電系統當機。 [創作槪要】 峰値電流模式控制之直/直流電源供應器除在處理有右半平面零點(right half plane zero) 之穩壓電路具有相當好之功效外，並具有自動前饋回受補償(automatic feed forward 第5頁 508897 五、發明說明（3) 、 compensation)與每一切換週期即作電流限制(pUise by pulse current limiting)等功能。另從經 濟觀點言之，電流控制型本身即具有瞬間過流保護之功能且目前已有多家廠商生產電流控制 . 型PWM控制用1C ’除價格十分便宜外並可以提供高瞬間電流以利直接驅動如MOSFET之 功率半導體開關元件。然而當直接在每一個峰値電流模式控制之直/直流電源供應器模組， 直接附加數個運算放大器(operational amplifier)或比較器(comparator)電路，並於每個模組間 Λ 使用一條均流線’作爲均流依據之單均流線式多模組並聯負載電流平均分配方法，雖然相當 簡單，但其於多模組並聯運轉時，直/直流電源供應器之控制將形成三個迴路(最外層爲m壓 迴路，其次爲均流迴路，最內層爲電流迴路）。一但模組均流迴路之響應太慢，則在暫態時 所產生短暫電流不平均之現象將進而造成供電系統當機。所以與其他多迴路控制一樣，因此1 ® 必須將各迴路設計在不同的頻寬，以同時達到穩壓及均流的目的。 本創作所提出單均流線式多模組並聯之負載電流平均分配方法，乃利用外部均流線電 流與本身模組之負載電流比較所得之高低信號，配合一具充放電功能之電阻電容電路與直/ 直電源供應器模組本身內部之調整端子(THrim)，經直/直電源供應器內部之脈波寬度調變器 調變直/直流電源供應器之責任週期(duty cycle)，以調整各模組之負載電流，亦可同時達 到穩壓及將負載電流平均分配之目的。然本創作裝置不論爲單機或多模組並聯運轉時，轉換 器模組之控制仍然爲二個迴路(外層爲電壓迴路，內層爲電流迴路）。因此轉換器模組之回授 控制器無須重新設計，β卩能保有原峰値電流模式控制之直/直流電源供應器之優點。此外，· 吾人亦可藉由調整電阻電容電路中時間常數(time constant)，以調整轉換器於多模組並聯運 轉時，各轉換器模組負載電流之暫態響應時間。 [創作詳細說明】

第6頁 508897 五、發明說明（4) 苯創作所提出之具並聯均流分配功能之直/直流轉換器之電路圖’如第三圖所示。其 中各個部分的功能分述如下： (1) 功率級電路(11):功率級電路中之電力電路可使用不同架構之直/直流電 源，但需是以峰値電流模式控制並具輸出濾波電路與調整端子(Trim)。 (2) 均流分配電路(13):以調整各模組之負載電流，以達到穩壓及將負載電流平 均分配之目的。 1. 電流感測電阻(Rs):感測模組電流並將其轉換成電壓訊號。此感測電阻 需有精確度之要求，以減少均流誤差。 2. 電壓差動放大器:將模組電流轉換成的差動電壓訊號，轉成控制 訊號。若欲各模組電流成比例分配，則僅需成比例調其增益(gain)大小 即可。 3. 均流線(share bus):爲修正模組電流誤差用，各模組間除了輸入、輸出 相並聯外，尙需用均流線短路以指示平均電流。 4. 均流調整電路(12):均流線所代表平均電流之電壓與本身電流所代表之 電壓比較所得之高低信號，.配合一具充放電功能之電阻電容電路，的 動調節加至轉換器模組本身內部之調整端子上之電壓，以調整各模組 之負載電流。 本創作裝置於多f旲組並聯供電時，需其將各模組之均流線端子短路，如第四圖所_不。 至於本創作裝置之電路動作原理可分單模組及多模組並聯加以說明： (1)當單模組機運轉時 ΙΙΙΙΙΙΙϋΙΙ 第7頁 508897 五、發明說明（5) ' •模組之負載電流經電流感測電阻(Rs)，將模組負載電流轉換成電壓訊號 (^)，再經增益爲1之電壓差動放大器(^4)轉換成控制訊號(模組電流所代表的電 壓)(〇後，同時送入比較器(心)之非反相輸入端，與由均流電阻(^)與偏壓電阻 (‘)所組成之串聯電路；比較器(4)之非反相輸入端，則接至均流電®_(~)與偏 壓電阻（足〇串聯接點與均流線(share bus)端子。由於比較器輸入阻抗(input impedance)甚高’所以比較器(4)之非反相輸入端電壓必定大於均流線之電壓 。因此比較器(〇輸出高電位，二極體(仏）逆向偏壓截止，電容(CJ經政/ 直流電源供應器內調整端子(Trim)之迴路充電，直到設定値爲止。而後模組之運轉 功能即與一習用之峰値電流模式控制直/直流電源供應器完全相同。 (2)當多模組並聯機運轉時 本創作裝置於多模組並聯供應時，需將各模組中之均流線端子短路，敬請參閱第四 圖。模組^(^^{1，2，...，(# + 1)})之負載電流經各模組之電流感測電阻(]^)，將各模組 負載電流轉換成電壓訊號(匕)後，再各經增益爲1之電壓差動放大器轉（〇換成 控制訊號(模組電流所代表的電壓)(F/)後，同時送入各比較器(<J之非反相輸入 端’與由各均流電阻(A)與各偏壓電阻(A )所組成之串聯電路；比較器(4)之非 反相輸入_ ’則接至端均流電阻(D與偏壓電阻(D串聯接點與均流線(share bus) 端子.。又比較器輸入阻抗甚高且本創作裝置於多模組並聯供應時，需第四圖所示將 模組中之均流線端子短路。因此，吾人可得此時均流線之電壓

第8頁 508897 五、發明說明（6) ⑴ Σ +

Aic R

Ik 若各模組之均流電阻皆相同且各模組之偏壓電阻亦皆相问’即W"=R2k 鳴，k 二 N + \ 將(2)(3)代入(1)可得 N+\Σκ (2) (3)

V share (4) # + 1(1 +争) 由(4)式可知若選用之尽與i?2滿足及2>:>戽，則均流線之電壓U爲各模組欲平均饱 流之等效電壓。因此，當模組電流比欲平均電流小時(此時模組電流所代表的電壓(〇 小於代表均流線之電壓)，所以比較器(A)輸出低電位，二極體(¾)順向偏壓導 通，電容(Q)經電阻(4)與二極體(^)所組成之串聯電路及直/直流電源供應器內 調整端子(Trim)兩迴路放電。由於電容(Q.J上之電壓(即爲直/直流電源供應器內調整 端子(Trim)之電壓)由高電位逐漸下降，導致直/直流電源供應器經內部之脈波寬度調 變器調變直/直流電源供應器之責任週期(duty cycle)，使得此功率級電路逐漸增高輸 出電壓，進而使得模組電流逐漸提高，直到沒有誤差電流爲止；反之，當模組電流比欲 平均電流大時(此時模組電流所代表的電壓大於小於代表均流線之電壓Fs,_ )，所以

第9頁 五、發明說明（7) 比較器(4)輸出高電位，二極體(4)逆向偏壓截止，電容(Q.J經直/直流電源供應器 內調整端子(Trim)之迴路充電。由於電容(Q)上之電壓(即爲直/直流電源供應器內調 整端子(TVim)之電壓)由低電位逐漸上升，導致直/直流電源供應器經內部之脈波寬度 調變器調變直/直流電源供應器之責任週期(duty cycle)，使得此功率級電路逐漸下降 輸出電壓，進而使得模組電流逐漸減低，直到沒有誤差電流爲止。本創作裝置多模組並 聯運轉時，各轉換器模組之控制仍然爲二個迴路(外層爲電壓迴路，內層爲電流迴路）， 即轉換器模組之控制器無需因均流分配電路需重新設計，便能保有原峰値電流模式控制 之直/直流電源供應器之優點。此外，吾人亦可藉由電阻電容電路中之時間常數(time constant) ，以調整多模組並聯時各轉換器模組負載電流之暫態響應時間。至於 直/直流電源供應器之峰値電流模式控制器之設計，非本發明所欲保護的範圍，故不再 贅述。 本創作裝置單模組運轉時之輸出電壓及電流波形圖如圖五所示；當多模組並聯運轉 之暫態響應波形圖則如圖六所示。由圖五與圖六可知本創作裝置確實可達預期之功能。 上列詳細說明係針對本創作之一可行實施之具體說明’惟該實施例並非用以限制本 創作之專利範圍，凡未脫離本創作技藝精神所等效實施或變更，均應包括於本案之專利 範圍。 縱上所述，本案不但在技術思想上屬創新且能較習用方法增進功效，爰依法提出申 請，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

508897 圖式簡單說明 ' [圖式說明] ' 圖1 直/直流轉換器基本端子示意圖。 _ 圖2 習用直/直流轉換器並聯供應系統示意圖。 圖3 本創作裝置之電路圖。 圖4 本創作裝置多模組並聯供應系統示意圖。 圖5(a)本創作裝置單模組運轉時之輸出電壓起動波形圖。 圖5(b)本創作裝置單模組運轉時之暫態響應波形圖。 圖6 本創作裝置多模組並聯轉時之暫態響應波形圖。 i 画 iiiiiii 第11頁 508897 圖式簡單說明 ‘· [元件符號說明】 π 功率級電路。 · 12 均流調整電路。 - 13 均流分配電路。

Avk 電壓差動放大器。

Ak 比較益。 均流調整電容。

Dck 均流調整二極體。

Rlk 均流電阻。

Rlk 偏壓電阻。

Rck 均流調整電阻。 .

Rs電流感麵阻。 · ^share 均流線之電壓。 画画_1 第12頁 508897 圖式簡單說明 vk 模組a：之負載電流之電壓訊號 K+ 模組々之負載電流所代表的電壓 111111 第13頁

Claims (1)

1. 508897 六、申請專利範圍 、 1· 一種具並聯均流分配功能之直/直流轉換器，包含有一直/直電源供應器及一個均流分配 電路；其特徵爲利用均流線(share bus)電流與本身模組之負載電流比較所得之高低信號，配 合一具充放電功能之電阻電容電路與電源供應器模組本身內部之調整端子，經直源 供應器內部之脈波寬度調變器調變直/直流電源供應器之責任週期(duty cycle)，以達到穩 壓及及將負載電流平均分配之目的。 1如申請專利範圍第1項所述之具並聯均流分配功能之直/直流轉換器，其中直/直電源供 應器之特徵爲以峰値電流模式控制(peak current mode control) ’且具有輸出濾波電路與調整 端子(Trim) 〇 3·如申請專利範圍第1項所述之具並聯均流分配功能之直/直流轉換器，其中均流分電路 包含一電流感測電阻，一電壓差動放大器，一均流線(調整各模組輸出電流大小之導線)及 一均流調整電路。 4·如申請專利範圍第1項所述之具並聯均流分配功能之直/直流轉換器，其中均流分配電路 包含之電流感測電阻，以一電流轉電壓信號之元件取代。 IliKlll 第14頁