基于LTC4350的并联均流技术应用研究

引 言

  由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展,开关电源的并联应用技术日益重要。但是并联运行的各个开关电源模块特性并不一致,外特性好(电压调整率小)的模块可承担更多的电流,甚至过载,从而使某些外特性较差的模块运行于轻载状态,甚至基本上是空载运行。其结果必然加大了分担电流多的模块的热应力,从而降低了可靠性。但是并联的开关电源在模块间通常需要采用均流措施。它是实现大功率电源系统的关键,其目的在于保证模块间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自身的电流极限状态。

  目前实现均流的方法有多种,而自主均流以其均流精度高,动态响应好,容易实现冗余技术等特点,而得到了广泛的应用。自主均流法自动设定主从电源模块,均流电路自动让输出电流最大的电源模块成为主模块,其余的电源模块则成为从模块。

  1 LTC4350均流电路原理

  如图1所示,感应电阻Rsense两端压降的高低,代表了开关电源LTC1629输出电流的大小,Rsense两端电压通过LTC4350内部的Isense功能块后转化为测量电流输出,并在增益电阻Rgain两端形成比较电压。此比较电压接在内部均流误差放大器E/A2功能块的反向输入端,并与接在E/A2正向输入端的均流母线电压相比较,如若不相等,误差电压就会在内部Iout功能块变成电流IADJ输出,IADJ就会在Rout两端形成压降,从而影响LTC1629的sense输入端电压,这样,开关电源稳压器LTC1629就自动调整输出电压,直到整个电源系统中所有LTC4350的GAIN引脚电压等于均流母线SB引脚的电压时,负载电流被均匀分配了,也就达到了均流的目的。

图1 LTC4350自主均流原理示意图

  FB引脚外接反馈分压电阻器,并与LTC4350的内部基准电压比较,误差电压经过内部误差放大器E/A1放大之后,驱动均流母线SB,如果FB引脚电压小于或等于基准电压,二极管D1正向导通,E/A1输出驱动SB,若FB引脚电压高于基准电压,D1截止,E/A1则与SB断开。具有最高基准电压的LTC4350将驱动均流母线SB以及内部与其相连的20KΩ负载电阻(每个20KΩ负载代表着一个LTC4350),使均流母线达到适当的电流值。所有其他的LTC4350的COMP1引脚为低电位,断开与均流母线的连接。

  2 LTC4350软硬故障及热插拔保护

  电源输出短接到地或输出电压异常高一般称之为“硬故障”,这类故障需要立即将损坏的电源模块与负载断开。电源开路故障和负载电流分配故障一般称之为“软故障”,此时电源输出电压虽然正常,但多个电源模块间电流分配不均。为此,需要在开关电源LTC1629和负载之间加上两个功率MOSFET(M1 和M2 串联,如图1所示),在模块出现“硬故障”和“软故障”时,隔离故障模块。当电源LTC1629输出短路,Isense功能块检测到Rsense上的大于30mV的反向电压并且超过5μs时,外部功率MOSFET栅极电压马上降低而使M2 开路,断开与负载的连接,过压保护通过0V引脚外接的电阻分压网络监视电源输出电压,一旦0V引脚电压超过设定的1.22V阈值,则外部功率MOSFET的栅极电压被拉低而使M1开路,断开与负载的连接。

  当电源首先作用到UCC引脚时,功率MOSFET栅极电压被拉低,一旦UCC升高并大于设定的欠压锁定阈值1.244V,LTC4350的UV引脚发挥作用。如果UV引脚电压大于1.244V,外接功率MOSFET栅极开始由10μA的电流充电,GATE 引脚电压开始以斜率10μA/CG缓慢上升(如图2所示),这个缓慢充电过程允许电源输出在不受干扰的情况下平稳接入负载。而当电源断开时,UV 引脚电压将低于1.22V,LTC4350迅速将外接功率MOSFET栅极放电,使负载与电源之间断开,这样就实现了LTC4350本身的热插拔功能。

3 热插拔设计

  图3所示为两块并联工作的电源模块方框图,每个电源模块都有自己的热插拔电路设计、开关电源以及均流电路,并联工作的模块间享有公共的均流母线、负载线、电源输入线Uin以及模块故障状态告警线STATUS。

图3 由两块电源模块组成电源系统

  任何一个电源模块发生故障,如不及时地移除和更换,将会引起电源系统的不稳定甚至瘫痪。因此,需要故障模块本身能自动断开供电系统,并通过STATUS引脚向系统发出信息(如图4所示),提示技术人员需要换上一个好的电源模块。对于连续供电的电源系统来说,需要带电移除和插入,当插拔电源模块操作时,不能给整个电源系统带来干扰,以实现热插拔。

图4 带热插拔和均流控制的开关电源模块

  本电路采用两级热插拔保护设计,其一是专用的热插拔保护电路LT1641,主要控制外接的功率MOSFET管M5,如图4所示,其通断决定了输入电压Uin的通断。其二是基于LTC4350本身的热插拔电路。

  4 实际应用电路设计

  考虑到实际的恶劣应用环境,为了加强热插拔的可靠性,在实际的应用电路设计中,有必要在每个电源模块电路中加上专用的热插拔控制电路LT1641。因此,本设计的每个电源模块都由三部分组成:热插拔控制专用集成电路LT1641;开关电源集成电路LTC1629(此电路采用同步降压电流模式控制);均流控制集成电路LTC4350。

  实验电源输入Uin采用24V直流电压,经过同步降压开关电源LTC1629后,实际输出Uout(负载母线电压)为1.6V直流电压,输出直流电流20A。本次实验制作了两块同样的电源模块一起工作,可以输出高达40A的直流电流。

  本次实验只做了两块相同的电源模块,图4只是其中的一块,和另外一块做并联实验时,需要把它们的Uin、Uout、GND以及SB线分别对应连接在一起。

  5 小 结

  通过实验,LTC4350很容易实现N+1冗余,能够及时有效地识别失效电源,并以关断外接的串行MOSFET管的方式隔离故障电源,允许电源系统其它电源模块正常工作的情况下,移走失效电源并插入一个新电源模块替代。可以识别和定位输出电压低,输出电压高以及开路故障,并给出警示信号。LTC4350在服务器和网络设备供电系统,通信和基站设备供电系统以及分布式电源系统中,可以有很好的应用。

 


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