体系规划人员期望考虑将直流电源并联运用或许有许多原因。其间有些与物料清单和物流问题相关,其他则集中于满意体系电流、功用或牢靠性方针。
在非规划方面,并联电源的才能也利于某个电源能独自运用,或在跨广泛产品线中组合运用。这能够简化收购,添加单一电源的用量并简化库存办理。
当然,考虑并联电源的技能原因愈加杂乱。首要,或许因为无法取得较低功耗的元器材,或许商场添加了新卖点和新功用,产品或许实践上比预算需求更多电流,这时运用并联电源或许是一种“稳妥”的办法。其次,并联电源能够支撑N+1乃至N+2冗余,以防止单点毛病,或在不影响体系的前提下完成毛病电源的热插拔。第三,它答应运用功用、特色和外形尺寸熟知的、经过验证的电源,因而可削减规划导入危险和不确定性。最终,假如一个高功率单元在一个高度限制的区域散热量太多,它能够经过添加电源转换器布板的灵活性来完成“热扩散”。
电源并联供给灵活性和潜在长处的一起,也带来了一个显着的问题:能够在并联装备中运用任何电源吗?答案是“不能”。它取决于电源的规划、电源衔接所用的技能,以及并联运用电源的理由。
期望将电源并联最显着和最简略的办法是简略地将其输出衔接在一起。一般来说,这行不通,因为每个电源都有其自己的输出电压调理,因而不只要设法在其负载改变时依然保证这个调理,并且在调理时还需求避开其他电源闭合回路的影响。
关于那些内部包含传统的差错放大器和参阅的电源来说,只以并联办法放置多个电源不是完成高功率阵列的有用办法。电源之间的参数差异往往会引起一个电源——那个以输出电压为基准的最高参阅电压的电源——承载一切负载电流,而一切剩余的电源不会带载。
在这种状况下,当负载超越了这个“抢先”电源(承当最大负载)的带载才能时,它或许会进入一种恒流极限形式(这或许会也或许不会是一个额定作业形式),或许它或许把过载当作毛病而封闭。取决于这个被评论的电源,这些呼应或许会导致过应力,尤其是在它们作为运用中惯例操作的一部分呈现时。此外,关于那些因为过载而呈现电源封闭的状况,在电源阵列中第二高参阅电压的电源将被逼承载整个负载,并将相同封闭。这将很快导致整个电源轨的溃散。
假如一个电源设置为恒压(CV)形式,而其他电源设置为恒流(CC)形式,但输出电压稍高,直接衔接拓扑结构的办法或许很有用;请注意,并非一切电源都答应挑选输出形式。设置为较高输出电压的电源将供给恒流输出,而它们的每个输出电压都将下降,直到等于CV电源的输出。负载有必要汲取满足的电流,以保证处于CC形式的电源有必要坚持在该形式下运转。请注意,运用这两种办法意味着多个电源不再彻底相同,然后削弱了并联装备的某些优势。
假如电源是专为支撑这个拓扑结构,或许假如有一个操控回路差错放大器能够反应差错信号回到一切其他电源,使它们同享负载,直连办法是可行的。不过,关于从主到从的操控信号来说,后一种办法还需求一条“均流母线”。
另一种办法是为每个电源的输出添加串联的小镇流电阻器,以均衡阵列中电源之间的负载电流散布,乃至是在其操控回路看到不同输出电压时,如图1所示。镇流电阻器会对负载调理发生一些影响,这取决于镇流电阻意欲战胜不均流所发生的设定点差错的巨细。不过,这些镇流电阻器也会发出热量,下降体系功率。
图1:一种均流办法是在每个电源输出运用较低数值的镇流电阻器,但因为电阻相关的耗散和全体功率,这种办法也存在问题。
这个“OR”那个?
针对直连困扰的看似“简略”的一个处理方案是只在每个电源和一切电源的公共衔接点之间运用二极管衔接,该技能一般称为二极管ORing(图2)。ORing二极管对防止电源吸入(sinking)衔接点的电流十分有用,但一般不足以处理有独立差错放大器的电源中的均流差错,因为二极管的导通特性曲线比较陡,致使电源设定值的参数差异依然会导致严峻的均流问题。
图2:原则上能够经过运用二极管组合多个直流电源输出来阻隔一个电源与另一个电源,但这种装备有许多有关负载平衡和均流的功用问题。
二极管ORing关于其输出能够一起吸入和流出电流(双象限作业)的电源独立运转来说一般是必需的。相对单象限电源来说,假如没有ORing二极管,直接并联这种电源的作用更糟糕。单象限电源只要负载均流差错,但双象限电源的调理会发生竞争性输出电压操控。这将导致超越负载电流的大电流在阵列中的电源间循环活动,并或许当即导致一个或多个电源过载。
此外,假如二极管的导通阈值是负温度系数,这实践上将会促进阵列中的电流紊乱(hogging)。选用正温度系数的整流——肖特基二极管,或是经过运用在有源ORing完成中选用FET和整流器构建的相似二极管的功用——是削减该问题的一个办法,但因为二极管正向压降,功率将会下降,并且有源ORing会添加本钱和杂乱性。
在某些状况下,二极管ORing依然能够改进体系级的牢靠性。感兴趣的首要状况是其间的一个电源呈现输出FET或许电容短路,这或许危及一起输出电压轨。ORing二极管会快速将该短路电源与输出离隔,然后进步牢靠性和体系鲁棒性。
谁来担任?
为了在阵列中完成牢靠和可预见的作业,电源一般有必要专门针对并联作业来规划。咱们有必要全面考虑发动同步、毛病维护和谐,以及操控回路的稳定性。
关于一个可为负载供给更高水平可用电流的并联阵列电源来说,需求选用针对阵列运用的某种类型的操控回路战略。一种盛行的操控战略是运转没有内部稳压放大器的电源,但用一个由差错放大器操控的公共操控信号输入将它们组合在一起。这个差错放大器可调理体系的输出,然后其单反应信号被分发到体系中的一切电源。
这种盛行操控战略的首要长处是输出电压的调理很好,而均流差错由部件间的调制器增益的差错所决议。晦气的方面是,运用单个差错放大器和单线操控母线或许会发生单点失效,这对某些类型的高牢靠性体系或许是个问题。别的,调制器增益的参数差错难以操控,这往往导致制造商权衡良率来操控同享差错。
关于单操控回路的办法,假如电源对其操控节点输入具有很小的容限,那么均流差错可降到最低。假如同享差错很大,那么要么有必要下降阵列的额定功率,以防止因为同享失衡形成阵列中任何单个电源过载,要么需求选用详细处理办法。用于改进因为不同部件间的差异所形成的均流差错的技能包含在生产中针对输出差错进行校准(这种办法贵重),或许在阵列中每个电源邻近添加电流操控环来消除该差错(这会添加杂乱性和器材)。这些本地回路的电流检测一般需求对电源添加分流电阻。
关于操控节点是参阅初级侧的阻隔DC-DC电源来说,会呈现第二种妨碍:初级侧和次级侧阻隔鸿沟的差错放大器输出信号的传输问题。依据所运用的阻隔元件,阻隔技能经常会添加本钱,占用名贵的空间,并且会对牢靠性带来晦气影响。
第二种答应在阵列中选用独自电源并联的操控回路战略是运用负载线来仿效镇流电阻器办法中的途径上的电阻。经过施行所谓的“降压均流(droop-share)”的负载均流办法,每个电源都有独自的参阅和集成的差错放大器,但跟着负载电流的添加,参阅电压被有意处理为线性削减,然后使得输出电压下降必定值。
并联电源或许会对瞬态呼应和负载调理带来消极影响。降压均流办法故意运用了负的负载调理办法将负载散布到阵列中的模块。因而,关于降压均流阵列,负载调理往往比用传统单差错放大器创立的阵列差。能够在降压均流阵列周围运用一个外部操控回路,以有用抵消负的负载调理办法。因为外部回路本身便是一个差错积分器,由此发生的静态调理差错与传统差错放大器状况相同。
电源规划能够简化,而增强并联装备
电源供货商能够采纳过程来应对并联应战。例如,选用转换器级封装(ChiP)的Vicor的DCM DC-DC转换器选用一条内置负斜率负载线;因而,跟着负载的添加,DCM的内部稳压器仅稍微下降输出电压。这实践上就像小镇流电阻器的完成办法,但并没有用任何实践的电阻器(图3),并且具有其他几个要害特性。
图3:选用ChiP封装的Vicor的DCM适用于经过简略将其输出衔接在一起的并联;不需求二极管、镇流电阻器,或其他负载平衡元件。
首要,它是一种完成镇流电阻器的不同办法,因为没有物理电阻器,也没有V×I生成的热量,不触及热能糟蹋。第二个差异触及动态呼应,因为频率高达数百千赫,因为没有高频寄生问题,在其I-V传递函数曲线中,真实的电阻器能够被以为具有无限的“带宽”。因而,电阻器上电压的任何瞬时改变都会导致电流的相应改变。
在DCM转换器中,负载线是经过数字/模仿转换器的离散时刻调制器发生差错放大器的参阅电压来完成的。正确的参阅值首要是根据DCM输出电流的估量核算的,并为了下降噪声,做了一些均匀处理。因而,DCM所模仿的负载线相当于电阻并联一个大电容。当查阅数据表图片时,所看到的电源对阶跃负载的呼应便是因为这个RC时刻常数所发生的。
尽管如此,尽管这种负载线输出特性答应多个DCM输出直接进行并联,可是它们本身的差错放大器操控回路仍处于活动状况。假如一切的DCM对负载都有相同的外部(真实的)途径电阻,有相同的调理设定值,并且都处于相同温度,阵列中的DCM上的负载电流散布是彻底持平的。因而,并联DCM的行为就像单个DCM,可是有更高的输出电流(图4)。
图4:运用Vicor DCM转换器,并联的单元可作为一个转换器运用;此外,如负载线所示,假如阵列相对最大负载为N+1冗余,不论任何单个转换器呈现毛病,阵列将持续作业。
因为其负电压温度系数,运用DCM转换器系列,各自单元中的温度改变不是问题。假如一个电源的加载比其他电源多,相关于其他电源其温度会上升,这反过来会导致其输出电压下降。因为其他并联DCM的输出电压与加载DCM的输出电压相匹配,其输出将跟从其负载线,然后添加其负载电流的同享,使电路回到平衡。
并联DC-DC电源的问题和办法适用于大型转换器,如Vicor的DCM系列,并且也可用于负载小得多的电源IC。例如,LT3083是Linear Technology公司的一个3A低压差(LDO)线性稳压器,它支撑在每个电源及其一起输越轨之间运用10 mΩ镇流电阻器的并联作业。
运用并联电源是完成库存和收购、产品通用性、额定输出电流和N+1冗余效益的一种有吸引力并可行的技能。不过,咱们有必要要了解或许的并联拓扑结构,以及怎么坚持跨多个电源的闭环电源调理。