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电源模块的均流:基本原理、实现方法、电路仿真

在很多大电流输出的场合,为了提高系统的可靠性,比较常用的一个方法就是采用热备份——多个电源模块并联使用。每个电源模块还具备在线插拔的功能。以便于拆卸和维修、维护。

但是我们知道,每个电源模块的内阻是略有不同的,而输出电压也不可能做到完全一致。故而,稳压输出的电压源是不可以直接并联的,或者是即便并联了,每个模块的输出功率各不相同。有可能会出现闲的闲死,忙的忙死的现象——有的模块在超负荷工作,损耗发热都比较厉害,寿命会降低。而有的工作于轻载,甚至都没有进入较好的工作状态(例如移相全桥,轻载时不容易实现软开关),也对电源健康不利。

这时候,我们需要一种手段,让各模块输出功率基本相同。这种把负载平均分配到各模块的手段,我们称之为均流。

均流的方法有很多种,例如:

1,输出阻抗法,又叫下垂法、倾斜法、电压调整率法。是通过调节电源的输出内阻的方式来实现的。这个方法的特点是简单。但最大的缺点是电压调整率差。

2,主从设置法,人为的在并联的模块中选一个主模块,别的模块的输出向这个模块靠拢。最大的问题是,如果主模块失效,那么整个电源系统都不能工作了。

3,平均电流自动均流法,把各模块的电流采样放大后通过一个电阻连到公用的均流母线上,大家按照均流母线上的平均电压来实现调整完成均流。平均电流自动均流法可以实现精确均流,但如果均流母线发生短路,或者某个模块发生故障,母线电压下降会使各模块电压下调。

4,最大电流自动均流法,又叫自动主从均流、民主均流,在所有并联模块中,输出电流最大的那个模块自动成为主模块,其他模块的输出向这个模块靠拢。

5,还有其他很多方法,例如热应力自动均流、外加均流控制器的均流等等。

目前应用比较广泛的是最大电流自动均流法,有专门为这设计的IC,例如UC3907等。但是在这里,我不打算用专用IC,仅采用普通的运放,来尝试实现此功能。采用ORCAD来仿真。

具体的工作原理其实很简单,就是把本模块的电流采样值和均流的值进行误差放大,然后用误差放大器的值去调节电压反馈环路的值,使输出电压发生变化,以调节本模块的输出电流,使电流反馈值与均流母线的值相同,从而实现了最大电流自动均流。

下面的图,就是单个模块内部的均流电路,U1A是电压误差放大器,U2A是电压采样的电压跟随器,U3A是电流采样放大器,把采集到的电流信号,反向放大100倍为正电压信号,U4A为均流误差放大器,U5A为电压跟随器,将本模块输出电流的采样信号输出到均流母线上,但此电压跟随器稍微有点变化,就是如果均流母线上的电压比本模块的电流采样信号的电压高的话,那么本模块的信号就不会输出到母线上。所以,母线上的电压信号,永远是输出电流最大的那个模块的。此外,还有一个模型E,这是一个把输出电压放大的模块,此处用来作为电源变换器来使用,将电压误差放大器的输出信号放大作为输出,增益设置为10。负载,我用了一个9A的电流源来模拟恒流负载。

 

 

好,我们把图中中间带着运放的这部分电路,再复制两份,贴在同一电路图中。然后,在其中一个模块的输出上反串联一个电压源,用将这个电压源慢慢升高的方法来模拟此电源模块出故障了的过程,来尝试观察其他的模块是否可以继续保持均流。当然,如果大家有更好的模拟方法,也可以提出来一起研究。

 

 

电路复制后,要选择菜单里的windows->xxx.opj,进入OPJ管理窗口,然后选择标签Hierarchy,点击schematic1,再选菜单TOOLS->annotate,弹出Annotate对话框,在action项选择Unconditional reference update,点击OK。

 

 

再从菜单windows回到电路图窗口,进行直流扫描仿真,设定我们反串的电压源从0V扫描到5V,步长0.01V。

 

 

进行仿真,放上电流探头,

 

 

看仿真结果

   

 

可以看到,在反串的电压源电压从0变化到3V的过程中,由于电路的调节功能,模块的输出还是能保持均流的。随后由于模拟反串电压源的电压升高,超出了电路的调节能力,模块的输出电流开始下降,而另外两个模块的输出开始上升,对于那两个正常模块来说,电流还是均衡的。等到故障模块彻底不输出电流了,负载电流完全由两个正常模块平均提供。

改变图1中的R20的阻值,可以改变均流误差放大器对输出电压调节的能力。如果我们将每个模块的这个电阻改为3K,重新做一次仿真,再看电流波形,就可以看出来,在反串电压源从0到5V变化的整个范围,所有模块依然可以均流输出。

 

欢迎大家参与讨论,提出意见和建议!

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2011-01-06 13:37

好版主的开年巨帖啊~先抢了沙发再说!~~

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geojion
LV.5
3
2011-01-06 13:42
@电源网-娜娜姐
好版主的开年巨帖啊~先抢了沙发再说!~~

地板,哦,没用过这软件

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fly
LV.9
4
2011-01-06 13:51

好版的帖子,顶了再看

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2011-01-06 13:52
@fly
好版的帖子,顶了再看

先看看

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tyrone19
LV.1
6
2011-01-06 14:15
收藏
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ccps
LV.7
7
2011-01-06 14:40
@tyrone19
收藏
哇,这么快就成精华帖了啊
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ccps
LV.7
8
2011-01-06 15:03
@ccps
哇,这么快就成精华帖了啊
这个还分主从模块吗?
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2011-01-06 15:15
@ccps
这个还分主从模块吗?[图片]

不分了,输出电流最大的那个自动成为主模块。主模块是一直在变化的。

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hourdown
LV.6
10
2011-01-06 15:46
@让你记得我的好
不分了,输出电流最大的那个自动成为主模块。主模块是一直在变化的。

好想法

好版主能粗略介绍下其他方法的原理不?

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2011-01-06 15:53
@hourdown
好想法好版主能粗略介绍下其他方法的原理不?[图片]
其他方法的原理上面有的已经简单说了呀。
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2011-01-06 17:08
@让你记得我的好
其他方法的原理上面有的已经简单说了呀。
先看看
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cheng111
LV.11
13
2011-01-06 19:25

好贴,顶起。

好版主你使用的什么软件仿真的?学习学习

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ccps
LV.7
14
2011-01-06 19:40
@cheng111
好贴,顶起。好版主你使用的什么软件仿真的?学习学习
orcad-pspice
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holyfaith
LV.8
15
2011-01-06 20:27

好版主的好帖,学习了

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电源_猫
LV.1
16
2011-01-07 00:22
经典好帖!学习啦!!
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3a6bu
LV.3
17
2011-01-07 16:12

唉,说什么呢, 做电源是一个实践性很强的事,坦白地说,仿真固然好,动手做才是根本。

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bylrq
LV.3
18
2011-01-08 15:03
你对我们确实挺好的。收藏啦!
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cheng111
LV.11
19
2011-01-08 15:20
@ccps
orcad-pspice
学习仿真软件...saber中...
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高等数学
LV.10
20
2011-01-08 18:47
顶!来学习~
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gaohq
LV.8
21
2011-01-08 20:17

均流母线是那根线呢?

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gaohq
LV.8
22
2011-01-08 20:31

如果均流母线上的电压比本模块的电流采样信号的电压低的话,那么本模块的信号就会输出到母线上。

应该是这样吧?

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gaohq
LV.8
23
2011-01-08 20:37

我不明白为何还要个电压采样?

这个贴前天就看到了,当时没怎么看明白 ,今天又仔细推敲才明白一些,就想到一点发一贴,结果就发了三贴了。

我认为此电路的精华就在二极管D3用得好。

哈哈,见笑了,还请帮忙解答。

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hourdown
LV.6
24
2011-01-09 15:36
@gaohq
我不明白为何还要个电压采样?这个贴前天就看到了,当时没怎么看明白,今天又仔细推敲才明白一些,就想到一点发一贴,结果就发了三贴了。我认为此电路的精华就在二极管D3用得好。哈哈,见笑了,还请帮忙解答。

没D3怎么叫最大电流自动均流:-)

 

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040404050
LV.4
25
2011-01-09 19:23

版主,这个事什么仿真软件?谢谢!

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ccps
LV.7
26
2011-01-09 19:25
@040404050
版主,这个事什么仿真软件?谢谢!
orcad
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kofiori
LV.3
27
2011-01-09 20:25
可以不可以介绍一种不用在输出串联电阻的均流方法,比如国外的产品的均流电路,如LAMDBA,
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2011-01-10 09:03
@kofiori
可以不可以介绍一种不用在输出串联电阻的均流方法,比如国外的产品的均流电路,如LAMDBA,

输出不用串联电阻的均流方法?有点不明白你的意思。不串联电阻的话,那么就需要用霍尔电流传感器,否则不知道电流的话,如何做到均流呢?

即便是采用第一种均流方法,也是需要知道输出电流的。

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610860616
LV.5
29
2011-01-10 10:16
@让你记得我的好
输出不用串联电阻的均流方法?有点不明白你的意思。不串联电阻的话,那么就需要用霍尔电流传感器,否则不知道电流的话,如何做到均流呢?即便是采用第一种均流方法,也是需要知道输出电流的。
记住了
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kofiori
LV.3
30
2011-01-10 12:50
@让你记得我的好
输出不用串联电阻的均流方法?有点不明白你的意思。不串联电阻的话,那么就需要用霍尔电流传感器,否则不知道电流的话,如何做到均流呢?即便是采用第一种均流方法,也是需要知道输出电流的。

我现在手上有别人做的均流电路,是利用电路内部的电流采样做的均流,这样不用再外加电阻增加损耗,我是这个意思

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2011-01-10 13:01
@kofiori
我现在手上有别人做的均流电路,是利用电路内部的电流采样做的均流,这样不用再外加电阻增加损耗,我是这个意思

对呀,我这里仿真的电路,就是需要做在模块电源内部的。

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