CN103475202A

CN103475202A - 一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路

Info

Publication number: CN103475202A
Application number: CN2013103768507A
Authority: CN
Inventors: 王英武; 王俊峰; 熊国兴; 王云
Original assignee: 771 Research Institute of 9th Academy of CASC
Current assignee: 771 Research Institute of 9th Academy of CASC
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN103475202B

Abstract

本发明提供的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，通过精确采样电源模块的输出电流，通过均流母线实现各个并联模块之间的电流均分以达到功率均分，解决了输出阻抗功率扩充法的小负载电流功率均分精度差、还解决了主从模块设置法中的指定主模块以及外加控制器法中的改变控制环路参数的问题。与其他几种输出功率扩充技术相比较，本发明采用了过流均流功率扩充法，最大优点就是均分功率精度高，每块电源模块具有自动过流保护功能。

Description

一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路

技术领域

本发明属于电源管理技术领域，涉及一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路。

背景技术

扩充电源模块输出功率需要多个模块进行并联，为了提高正常运行模块的可靠性，必须对并联电源模块的输出电流加以控制，实现各个并联模块输出电流的均分，避免单个模块过流过功率运行。过流均流技术就是控制***中各并联电源模块的输出电流，实现对负载电流的均分，确保整个***稳定和可靠的运行。

目前实现并联电源模块扩充功率的方法有输出阻抗功率扩充法，主从模块设置功率扩充法，外加控制器功率扩充法等。

输出阻抗功率扩充法是一种对各并联开关变换器的输出阻抗(即调节外特性倾斜度)实行控制和调整，从而均分***总电流，原理图如图1(a)所示。该方法存在的问题为：在小负载电流的情况下，功率扩充效果较差；在大负载电流的情况下，功率扩充效果较好；该方法易受外界因数的影响，如元器件的老化，物理条件的改变等。

主从模块设置功率扩充法是在并联的电源模块中设置主控模块，通过主控模块控制其余模块，实现***中各个模块间的功率均分，原理图如图1(b)所示。该方法存在的问题为：由于主模块在扩充模块中是主控单元，一旦该模块出现故障而失效，则整个电源***将不能正常工作，甚至会造成***崩溃。这一方法适用于电流型控制的并联开关电源***中。

外加控制器功率扩充法如图1(c)所示，就是在每个模块的控制电路中都加一个特殊的电流均分控制器，用以检测并联模块电流不平衡情况，调整控制信号，从而实现均分功率。特点是：该技术可以实现自动均分功率，可使n个并联模块的功率不均衡度在5%以内；由于引入了电流均分控制器，将使并联电源***的动态过程分析变得更加复杂，如果不注意电流均分控制环的正确设计，将使***不稳定，或者使***动态性能变坏。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，通过精确采样电源模块的输出电流，通过均流母线实现各个并联模块之间的电流均分以达到功率均分，解决了输出阻抗功率扩充法的小负载电流功率均分精度差的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，包括：

第一运算放大器，其反向输入端接地；其非反向输入端接由电阻R1、电容C1组成的滤波网络，并分别通过电阻R2连接电源采样电压输入端口、通过电阻R3连接第一偏置电压输入端口；其输出端接使能端口；

第二运算放大器，其反向输入端通过电阻R4连接电源采样电压输入端口，反向输入端还通过相并联的电阻R6和电容C3构成负反馈回路与反向输出端连接；其非反向输入端连接有接地的滤波电容C2，并通过电阻R7连接第二运算放大器的输出端，通过电阻R5连接均流信号输入端口；其输出端接三极管Q1；

第三运算放大器，其反向输入端接第二偏置电压输入端口，并连接接一个由电阻R9、电阻R8、电容C4、三极管Q1构成的通过电容C4充放电形成的交流信号网络；其非反向输出端接一参考电压源Vref；其输出端接反馈信号输出端口。

所述的电阻R1、电容C1相并联，电阻R1的一端与第一运算放大器的非反向输入端相连接，另一端接地。

所述的电源采样电压输入端口和第一偏置电压输入端口通过R3、R1和R2、R1的分压电路为第一运算放大器的非反向端提供一叠加的电压信号。

所述的第二运算放大器通过电阻R4进行电流采样，并将采样的电流信号转变为电压信号；第二运算放大器通过电阻R5将均流信号转变为电压信号。

所述的第二运算放大器的非反向输入端依次连接电容C2的一端、电阻R7的一端，电阻R5的一端。

所述的电容C4的一端连接在相串联的电阻R9、电阻R8之间，另一端接地；所述的三极管Q1为PNP，其第一端连接第二运算放大器的输出端，第二端连接电阻R8的一端，第三端接地。

所述的第一运算放大器通过电阻R2、电源采样电压输入端口采集电源模块输出的负电压信号，并输入给其非反向输入端；第一运算放大器的非反向输入端的采样信号与偏置电压叠加，当功率回路中输出电流变大时，采样电压也变大，使得非反向输入端电压降低，当电流大到一定值时，非反向输入端电压低于反向电压，运放第一运算放大器的输出翻转，输出低电平使得使能端口拉低，电源模块停止工作。

所述的第二运算放大器的非反向输入端的输入包括：通过电阻R4、电源采样电压输入端口采集电源模块输出的负电压信号，作为采样信号；流信号输入端口输入的均流信号通过电阻R5转变为电压信号，作为均流信号；

当采样信号大于均流信号时，运放第二运算放大器输出为负，三极管Q1导通，电容C4开始放电，导致电容C4电压下降，从而降低电阻R9靠近电容C4端的电压降低，该电压与基准电压Vref比较，使得第三运算放大器输出的误差信号变大，调小PWM波的占空比，从而降低输出回路中的电流，趋于均流信号；

当采样信号小于均流信号时，运放第二运算放大器输出为正，三极管Q1不导通，电容C4充电，导致电容C4电压升高，从而抬高R9左端电压，该电压与基准电压比较，使得运放am3输出的误差信号变小，从而增大PWM波的占空比，从而升高输出回路中的电流，以致趋于均流信号大小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

附图说明

图1(a)为输出阻抗功率扩充法的电路示意图；

图1(b)为主从模块设置功率扩充法的电路示意图；

图1(c)为外加控制器功率扩充法的电路示意图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明的电路与电源模块连接的示意图；

图4为电容C4充放电等效电路图；

图5为两个电源模块并联时的电路结构示意图；

图6为电源模块并联时的输出电流。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2所示，一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，包括：

第一运算放大器am1，其反向输入端接地；其非反向输入端接由电阻R1、电容C1组成的滤波网络，并分别通过电阻R2连接电源采样电压输入端口005、通过电阻R3连接第一偏置电压输入端口004；其输出端接使能端口002；

第二运算放大器am2，其反向输入端通过电阻R4连接电源采样电压输入端口005，反向输入端还通过相并联的电阻R6和电容C3构成负反馈回路与反向输出端连接；其非反向输入端连接有接地的滤波电容C2，并通过电阻R7连接第二运算放大器am2的输出端，通过电阻R5连接均流信号输入端口003；其输出端接三极管Q1；

第三运算放大器am3，其反向输入端接第二偏置电压输入端口006，并连接接一个由电阻R9、电阻R8、电容C4、三极管Q1构成的通过电容C4充放电形成的交流信号网络；其非反向输出端接一参考电压源Vref；其输出端接反馈信号输出端口001。

具体的，第一运算放大器am1，am1反向输入端接地，am1非反向输入端接由电阻R1、电容C1组成滤波网络，并接电阻R2、电阻R3，电阻R2另一端接在005端口，电阻R3另一端接在004端口，通过电阻R3、电阻R1和电阻R2、电阻R1的分压电路为am1的非反向端提供一叠加的电压信号。

第二运算放大器am2，反向输入端接R4R4将采样的电流信号转变为电压信号，再接到005端口，进行电流采样；另外am2的反向输入端通并联的R6和C3接到am2的反向输出端构成负反馈回路。am2的非反向输入端接R5R5将均流信号转变为电压信号，再接到003端口；另外am2的非反向输入端接电阻R7，再连到am2的输出端；am2的非反向输入端接一滤波电容C2；am2的输出端接三极管Q1(PNP)。

第三运算放大器am3，am3的反向输入端接006端口；并接一个由R9、R8、C4、Q1构成的通过C4充放电形成的交流信号网络；am3非反向输出端接一参考电压源Vref。am3的输出端接001端口。

如图3所示的与电源模块的连接，第一运算放大器am1通过电阻R2、电源采样电压输入端口005采集电源模块输出的负电压信号对电感L2左端电压进行采样，并输入给其非反向输入端；第一运算放大器am1的非反向输入端的采样信号与偏置电压叠加，当功率回路中输出电流变大时，采样电压也变大，使得非反向输入端电压降低，当电流大到一定值时，非反向输入端电压低于反向电压，运放第一运算放大器am1的输出翻转(正常情况下，am1输出为高电平，翻转后输出为低电平)，输出低电平使得使能端口002拉低，电源模块停止工作，从而达到过流保护的作用。

图3所示的电路中，通过电感L2进行输出电流采样，通过电阻R4转变为电压信号，均流信号通过电阻R5转变为电压信号。

所述的第二运算放大器am2的非反向输入端的输入包括：通过电阻R4、电源采样电压输入端口005采集电源模块输出的负电压信号，作为采样信号；流信号输入端口003输入的均流信号通过电阻R5转变为电压信号，作为均流信号；

当采样信号大于均流信号时，运放第二运算放大器am2输出为负，三极管Q1导通，电容C4开始放电，导致电容C4电压下降，从而降低电阻R9靠近电容C4端的电压降低，该电压与基准电压Vref比较，使得第三运算放大器am3输出的误差信号变大，调小PWM波的占空比，从而降低输出回路中的电流，趋于均流信号；

当采样信号小于均流信号时，运放第二运算放大器am2输出为正，三极管Q1不导通，电容C4充电，导致电容C4电压升高，从而抬高R9左端电压，该电压与基准电压比较，使得运放am3输出的误差信号变小，从而增大PWM波的占空比，从而升高输出回路中的电流，以致趋于均流信号大小。

上述的电容C4的充放电过程如图4所示。通过精确控制各模块的电流信号，提高各个模块的可靠性，以达到功率扩充的目的。

由图3可以得出输出电压V_o与电容平均电压V_c和V_R的关系式，即：

V_{o} = (1 + \frac{R_{11}}{R_{12}}) V_{R} + \frac{R_{11}}{R_{9}} (V_{R} - V_{c})

从图4中可以得到：

V_{c} = V_{R} \frac{1}{1 + \frac{R_{9}}{R_{8}} (1 - D)} + V_{F} \frac{1 - D}{\frac{R_{8}}{R_{9}} + 1 - D}

其中：V_C为电容C上的平均电压；

V_R为电源模块的供电电压；

D为比较器输出电压的占空比；

V_F为三极管导通时的集电极和发射极之间的正向压降。

由以上两个公式可知电流均分效果的好坏和C4、R8、R9以及L2和R4的取值有关。实验表明，电容C4的取值越大越好，但是太大则会引起均流环的瞬态响应变慢，动态效果变差，所以C4的取值范围为1～10μF。对于给定阻值的R11和R12，R8和R9的取值决定输出电压的变化范围，R9的取值可以由式子计算得到（V_o ^max和V_o ^min分别在电容电压的最小值和最大值的时候取得），R8一般取6～10倍的R9的阻值。R11要采用精密电阻，R11与R12的阻值相对误差要小，阻值的误差太大将会影响最终的均分功率的精度。

如图5所示，将两电源模块输出端并连在一起，均流端连接在一起，地端连在一起，构成两个模块的并联电路，然后连接本发明的电路用于检测。用于实验的两个模块的电路参数为：输入电压28V，输出电压12V，两个模块的输出总功率为120W。

实验结果如表1所示：

表1两个并联电源模块的均流性能

Io1(A)	0.44	0.869	1.496	2.044	2.505	3.01	3.501	3.997	4.519	4.999
											Io2(A)	0.435	0.871	1.472	2.054	2.49	3.024	3.48	4.009	4.498	5.012
I(A)	0.875	1.74	2.968	4.098	4.995	6.034	6.981	8.006	9.017	10.011

δ

0.57%

0.11%

0.81%

0.20%

0.30%

0.23%

0.30%

0.15%

0.23%

0.13%

表中的误差信号δ定义为：

δ = \frac{| I_{01} - I_{02} |}{(I_{L} / 2)} \times 100 %,

其中I_L为流过负载的电流，I₀₁为电源模块1的输出电流，I₀₂为电源模块2的输出电流。

由表1和图6可以看出，采用此功率扩充技术的两个电源模块可以实现较为精确的功率均分的效果,从而提高各个模块的可靠性，以实现功率扩充。

Claims

1.一种具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，包括：

第一运算放大器（am1），其反向输入端接地；其非反向输入端接由电阻R1、电容C1组成的滤波网络，并分别通过电阻R2连接电源采样电压输入端口（005）、通过电阻R3连接第一偏置电压输入端口（004）；其输出端接使能端口（002）；

第二运算放大器（am2），其反向输入端通过电阻R4连接电源采样电压输入端口（005），反向输入端还通过相并联的电阻R6和电容C3构成负反馈回路与反向输出端连接；其非反向输入端连接有接地的滤波电容C2，并通过电阻R7连接第二运算放大器（am2）的输出端，通过电阻R5连接均流信号输入端口（003）；其输出端接三极管Q1；

第三运算放大器（am3），其反向输入端接第二偏置电压输入端口（006），并连接接一个由电阻R9、电阻R8、电容C4、三极管Q1构成的通过电容C4充放电形成的交流信号网络；其非反向输出端接一参考电压源Vref；其输出端接反馈信号输出端口（001）。

2.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的电阻R1、电容C1相并联，电阻R1的一端与第一运算放大器（am1）的非反向输入端相连接，另一端接地。

3.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的电源采样电压输入端口（005）和第一偏置电压输入端口（004）通过电阻R3、电阻R1和电阻R2、电阻R1的分压电路为第一运算放大器（am1）的非反向端提供一叠加的电压信号。

4.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的第二运算放大器（am2）通过电阻R4进行电流采样，并将采样的电流信号转变为电压信号；第二运算放大器（am2）通过电阻R5将均流信号转变为电压信号。

5.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的第二运算放大器（am2）的非反向输入端依次连接电容C2的一端、电阻R7的一端，电阻R5的一端。

6.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的电容C4的一端连接在相串联的电阻R9、电阻R8之间，另一端接地；所述的三极管Q1为PNP，其第一端连接第二运算放大器（am2）的输出端，第二端连接电阻R8的一端，第三端接地。

7.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的第一运算放大器（am1）通过电阻R2、电源采样电压输入端口（005）采集电源模块输出的负电压信号，并输入给其非反向输入端；第一运算放大器（am1）的非反向输入端的采样信号与偏置电压叠加，当功率回路中输出电流变大时，采样电压也变大，使得非反向输入端电压降低，当电流大到一定值时，非反向输入端电压低于反向电压，运放第一运算放大器（am1）的输出翻转，输出低电平使得使能端口（002）拉低，电源模块停止工作。

8.如权利要求1所述的具有过流保护的电源模块输出功率扩充线路，其特征在于，所述的第二运算放大器（am2）的非反向输入端的输入包括：通过电阻R4、电源采样电压输入端口（005）采集电源模块输出的负电压信号，作为采样信号；流信号输入端口（003）输入的均流信号通过电阻R5转变为电压信号，作为均流信号；

当采样信号大于均流信号时，运放第二运算放大器（am2）输出为负，三极管Q1导通，电容C4开始放电，导致电容C4电压下降，从而降低电阻R9靠近电容C4端的电压降低，该电压与基准电压Vref比较，使得第三运算放大器（am3）输出的误差信号变大，调小PWM波的占空比，从而降低输出回路中的电流，趋于均流信号；

当采样信号小于均流信号时，运放第二运算放大器（am2）输出为正，三极管Q1不导通，电容C4充电，导致电容C4电压升高，从而抬高R9左端电压，该电压与基准电压比较，使得运放am3输出的误差信号变小，从而增大PWM波的占空比，从而升高输出回路中的电流，以致趋于均流信号大小。