利用UC3907设计的均流电路

利用UC3907设计的均流电路  

1引言

在实际应用中，为了获得需要的容量和一定的冗余，电源系统经常将电源模块并联使用，对电源系统的基本要求是：

——在电网扰动或负载扰动时，保持输出电压稳定；

——控制各模块电流，使其均分负载电流。

为了最大程度地获得系统稳定性，电源系统还有以下要求：

——设置模块冗余，使任一模块损坏，剩下的模块能提供足够的电流，而不致影响电源系统的工作；

——完成负载均分功能，而不需其它的外置控制设备。

另外，针对完成均流，电源系统还需要以下的功能：

——有一个公共的、低带宽的均流总线来连接所有的模块单元；

——具有良好的均流瞬态响应；

——使用一个控制器调节输出电压。

总之，希望由各模块构成的电源系统能形成一个整体，各模块平均分配应力。并且这时如果使用均流技术，系统的稳定性最高。我们在设计20A和50A的电源模块应用电路时就采用了美国UNITRODE公司的均流芯片，相对其它均流方法取得了较好的均流效果，并为电源模块热插拔的实现奠定了基础。

2均流方法

电流均流法很多，有：下垂法、主从法、外接控制器法、平均电流法、最大电流法等。相对而言最大电流法性能最好，调整简单易实现，均流母线开路或短路都不会影响各电源模块的独立工作，任一模块的故障也不会影响均流功能的实现。UC3907采用的就是最大电流法，如图1所示。原理是各模块电流和模块的最大电流相比较，相应调整参考电压以校正模块输出电流的不均衡度。这种方法和平均电流法相似（如图2），只是将后者和均流母线相连的电阻换成了二极管，这样就只允许电流最大的模块和母线相连。最大电流法克服了平均电流法的一些缺点，不会因某个模块短路或限流等原因将均流母线电压降低。最大电流法能使从模块很好地均流，但由于主模块和母线相连的二极管压降也带来了误差。UC3907用一个单向缓冲器代替二极管以消除上述误差。

图1最大电流均流法图2平均电流均流法

图2

图3UC3907的结构图

3UC3907结构

UC3907的结构如图3所示。

由图3可知，UC3907从结构上可以分为电压环和电流环两部分。电压环由电压放大器、地放大器和驱动放大器构成；电流环由电流放大器、调整放大器、缓冲放大器和状态指示构成。

3?1电压环

（1）电压放大器

电压放大器是作模块输出电压调整的反馈控制级，整个电压回路补偿通常就连在该放大器上。输出偏差限定在2V，以提高系统的大信号响应。在检测中电压放大器和地放大器配合，电压放大器完成高阻抗正极性测试，地放大器完成高阻抗负极性测试。

（2）地放大器

地放大器是一个具有－0.25V偏置的单位增益缓冲器。在保持负极性输入端高阻抗时（该端被认为是“真的地”—4脚），该偏置使放大器有足够的负电压来提供所有的控制偏置和工作电流。地放大器的输出（6脚）是模拟地。0.25V的偏置加到1.75V的参考电压以在电压放大器正输入端得到2V的参考电压，微调±1.25％。

地返回端（5脚）能得到最大负电压，并且比负极性测试输入端（4脚）低0到5V。所有芯片电流通过该管脚返回芯片。

（3）驱动放大器

驱动放大器是增益为－2.5的反置放大器，它将反馈信号耦合到功率控制器。电流设定电阻Rset用来建立控制环的前馈转换功能和最大驱动电流。驱动放大器的极性这样来设定：在正检测输入端（11脚）电压的升高，光耦电流增加，原边PWM的占空比减少。这将保证正确的启动，因为在电源开机时副边没有能量。

驱动放大器将电压放大器的输出转换为误差电流，提供给光耦。误差电流IOPO为：IOPO=

式中：Ve为电压放大器的输出。

电压误差和小信号的增益为：

3?2电流环

（1）电流放大器和缓冲放大器

芯片的均流部分使用了电流放大器、缓冲放大器和调整放大器。电流放大器的输出是代表了负载电流的模拟信号（VCA=20×RS×IOUT），电流放大器的输出连到驱动均流母线的单向缓冲器。因为缓冲器只提供电流，这保证了最大电流的模块成为主模块，并通过低阻抗驱动均流母线，所有其它模块的缓冲放大器由10k阻抗到地而无效。

（2）调整放大器

调整放大器将模块自身的负载电流和最大模块电流相比较，以调整模块电压放大器的参考电压来保持均流。调整放大器是一种跨导型的放大器以限定带宽，防止噪声进入参考电压调整电路。调整放大器的输出（14脚）通过一个补偿电容到模拟地（6脚）。地参考补偿类似于内部补偿，但没有正信号的问题，因此输入端滤去了不需要的噪声。调整放大器在反向输入端有一个内置50mV的偏置，它使模块作为主模块时产生低输出，不产生调整指令。当50mV的偏置代表了均流误差，电流放大器将通过检测电阻将其减少到2.5mV。这使所有的从模块均流，而主模块运行值稍高于从模块。这个偏置也抑制了循环和低频噪声争夺主模块的位置。

（3）状态指示

状态指示脚用来指示哪个模块是主模块。当调整放大器的输出为低，集电极触发。当并联模块中一个模块过流，该引脚将指示电流最大的模块帮助诊断出错模块。零电流或低电流错误对其他模块没有影响，并且对电压控制和均流没有影响。

4并联模块的启动

模块并联时必须考虑启动状态，4个5V电源模块并联的启动时序图如图4所示，一旦原边提供功率，功率级将需要最大占空比直到单模块反馈信号控制输出电压。在时间t1，模块＃1由于电流最大成为主模块，这使输出电压高于其他模块。其他模块将反馈零占空比信号到功率级，并保持空闲状态。在这一点主模块提供所有的负荷电流，并且在均流母线上输出响应电流。其它模块的调节放大器检测到其负载电流和主模块电流的差异，开始转换调节放大器的输出来提高电压放大器的参考电压。同时主模块的调整放大器输出保持钳位在低于调整门限，从而保持原参考电压不变。在时间t2，其他的三个调整放大器超过调整门限，开始改变参考电压。在时间t3，模块＃2的参考电压最接近主模块，并且负载电流在这两个模块间均分。另外两个模块＃3和＃4依然在调节参考值。在时间t4，模块＃3取得理想电压，负载电流在这三个模块间均分。在时间t5，最后一个模块完成了参考值调节，因此电流均分。如果需要模块电流缓慢建立，可在控制芯片上设置启动时间比调整时间慢很多的软启动。从t1到t5的调整时间t为：t=，CI=

式中：gm的典型值为3；

f为调整放大器的单位增益频率；

CI为调整放大器补偿电容；

Va为调整放大器偏差；

I为调整放大器最大电流（220μA）。

为了限制电流环的带宽，调整放大器需连电容CI补偿。若所需调整放大器的带宽为500Hz，CI为1μF。最低参考电压时，调整放大器输出为：

Vadj=(VREFmax－VREFmin)17.5＋1

=30mV×17.5＋1

=15.3V

5电压环和均流环设计

均流系统包括两个环路：电压环和均流环。电压环调整输出电压，并且为了有良好的瞬态响应，电压环的响应比电流环快。电流环是一个低带宽环以抑制从均流母线上产生的噪声，并且带宽应该足够低以防和电压环相互作用,即电流环比电压环的交越频率低并且分得足够开，但电流环的交越频率也不能太低，因为这需要过大的补偿电容。电压环的响应由调制电路拓扑、环路其他增益函数决定。为了稳定性，电流环在电压环的交越频率处不能产生过度的相移，所以电流环的交越频率比电压环的交越频率至少要低10dB/十倍频，最好低20dB/十倍频；并且电流环的零点应该在

图4用UC3907完成的4模块启动时序（无软启动）

图5

图6模块均流电路

电压环的交越频率的左边，如可以在电流环的交越频率处设置一个零点，这样可以减小电流环在电压环的交越频率处产生的影响。

根据电流环均流电路，功率电路及整个系统（均流电路和功率电路的组合）的幅频特性、相频特性作出的波特图如图5所示。

整个电压环的增益GV(S)如下：GV(S)=A(S)式中：为不同拓扑电路输出到PWM控制信号的增益；为PWM控制信号的增益到电压放大器输出的误差信号；

A(S)为电压放大器的传递函数。

整个电流环的增益GI(S)如下：

GI(S)=AO·ACS·ABA·AADJ·APWR

式中：AO为输出电压和检测电阻上的电压之比；

ACS为电流放大器的增益（20）；

ABA为缓冲放大器的增益（1）；

AADJ为调整放大器的增益；

APWR为功率级的传递函数。

6实验结果

用UC3907设计均流的50V/80A电源系统，使用4个20A电源模块并联，模块均流电路如图6所示。

UC3907的14脚输出在1.5V到2.25V之间，6、7脚和电阻R1、R2构成回路，使发射极约为1.5V。对于主模块，14脚输出为1.5V，所以NPN三极管不通，集电极接5V的高电位到控制电路；对于从模块，14脚约为2.25V，三极管导通,集电极电位从5V下降到4.75V左右，再接控制电路调整输出跟随主模块。

实验数据如表1、表2所列。

表1负载电流40A时的均流状况

从利用UC3907设计的均流电路的实验数据可以看出UC3907是一种性能比较好的均流芯片，能很好地完成均流任务。