利用UC3907設計的均流電路??

1引言

在實際應用中，為了獲得需要的容量和一定的冗余，電源系統經常將電源模塊并聯使用，對電源系統的基本要求是：

——在電網擾動或負載擾動時，保持輸出電壓穩定；

——控制各模塊電流，使其均分負載電流。

為了最大程度地獲得系統穩定性，電源系統還有以下要求：

——設置模塊冗余，使任一模塊損壞，剩下的模塊能提供足夠的電流，而不致影響電源系統的工作；

——完成負載均分功能，而不需其它的外置控制設備。

另外，針對完成均流，電源系統還需要以下的功能：

——有一個公共的、低帶寬的均流總線來連接所有的模塊單元；

——具有良好的均流瞬態響應；

——使用一個控制器調節輸出電壓。

總之，希望由各模塊構成的電源系統能形成一個整體，各模塊平均分配應力。并且這時如果使用均流技術，系統的穩定性最高。我們在設計20A和50A的電源模塊應用電路時就采用了美國UNITRODE公司的均流芯片，相對其它均流方法取得了較好的均流效果，并為電源模塊熱插拔的實現奠定了基礎。

2均流方法

電流均流法很多，有：下垂法、主從法、外接控制器法、平均電流法、最大電流法等。相對而言最大電流法性能最好，調整簡單易實現，均流母線開路或短路都不會影響各電源模塊的獨立工作，任一模塊的故障也不會影響均流功能的實現。UC3907采用的就是最大電流法，如圖1所示。原理是各模塊電流和模塊的最大電流相比較，相應調整參考電壓以校正模塊輸出電流的不均衡度。這種方法和平均電流法相似（如圖2），只是將后者和均流母線相連的電阻換成了二極管，這樣就只允許電流最大的模塊和母線相連。最大電流法克服了平均電流法的一些缺點，不會因某個模塊短路或限流等原因將均流母線電壓降低。最大電流法能使從模塊很好地均流，但由于主模塊和母線相連的二極管壓降也帶來了誤差。UC3907用一個單向緩沖器代替二極管以消除上述誤差。

圖1最大電流均流法圖2平均電流均流法

圖2

圖3UC3907的結構圖

3UC3907結構

UC3907的結構如圖3所示。

由圖3可知，UC3907從結構上可以分為電壓環和電流環兩部分。電壓環由電壓放大器、地放大器和驅動放大器構成；電流環由電流放大器、調整放大器、緩沖放大器和狀態指示構成。

3?1電壓環

（1）電壓放大器

電壓放大器是作模塊輸出電壓調整的反饋控制級，整個電壓回路補償通常就連在該放大器上。輸出偏差限定在2V，以提高系統的大信號響應。在檢測中電壓放大器和地放大器配合，電壓放大器完成高阻抗正極性測試，地放大器完成高阻抗負極性測試。

（2）地放大器

地放大器是一個具有－0.25V偏置的單位增益緩沖器。在保持負極性輸入端高阻抗時（該端被認為是“真的地”—4腳），該偏置使放大器有足夠的負電壓來提供所有的控制偏置和工作電流。地放大器的輸出（6腳）是模擬地。0.25V的偏置加到1.75V的參考電壓以在電壓放大器正輸入端得到2V的參考電壓，微調±1.25％。

地返回端（5腳）能得到最大負電壓，并且比負極性測試輸入端（4腳）低0到5V。所有芯片電流通過該管腳返回芯片。

（3）驅動放大器

驅動放大器是增益為－2.5的反置放大器，它將反饋信號耦合到功率控制器。電流設定電阻Rset用來建立控制環的前饋轉換功能和最大驅動電流。驅動放大器的極性這樣來設定：在正檢測輸入端（11腳）電壓的升高，光耦電流增加，原邊PWM的占空比減少。這將保證正確的啟動，因為在電源開機時副邊沒有能量。

驅動放大器將電壓放大器的輸出轉換為誤差電流，提供給光耦。誤差電流IOPO為：IOPO=

式中：Ve為電壓放大器的輸出。

電壓誤差和小信號的增益為：

3?2電流環

（1）電流放大器和緩沖放大器

芯片的均流部分使用了電流放大器、緩沖放大器和調整放大器。電流放大器的輸出是代表了負載電流的模擬信號（VCA=20×RS×IOUT），電流放大器的輸出連到驅動均流母線的單向緩沖器。因為緩沖器只提供電流，這保證了最大電流的模塊成為主模塊，并通過低阻抗驅動均流母線，所有其它模塊的緩沖放大器由10k阻抗到地而無效。

（2）調整放大器

調整放大器將模塊自身的負載電流和最大模塊電流相比較，以調整模塊電壓放大器的參考電壓來保持均流。調整放大器是一種跨導型的放大器以限定帶寬，防止噪聲進入參考電壓調整電路。調整放大器的輸出（14腳）通過一個補償電容到模擬地（6腳）。地參考補償類似于內部補償，但沒有正信號的問題，因此輸入端濾去了不需要的噪聲。調整放大器在反向輸入端有一個內置50mV的偏置，它使模塊作為主模塊時產生低輸出，不產生調整指令。當50mV的偏置代表了均流誤差，電流放大器將通過檢測電阻將其減少到2.5mV。這使所有的從模塊均流，而主模塊運行值稍高于從模塊。這個偏置也抑制了循環和低頻噪聲爭奪主模塊的位置。

（3）狀態指示

狀態指示腳用來指示哪個模塊是主模塊。當調整放大器的輸出為低，集電極觸發。當并聯模塊中一個模塊過流，該引腳將指示電流最大的模塊幫助診斷出錯模塊。零電流或低電流錯誤對其他模塊沒有影響，并且對電壓控制和均流沒有影響。

4并聯模塊的啟動

模塊并聯時必須考慮啟動狀態，4個5V電源模塊并聯的啟動時序圖如圖4所示，一旦原邊提供功率，功率級將需要最大占空比直到單模塊反饋信號控制輸出電壓。在時間t1，模塊＃1由于電流最大成為主模塊，這使輸出電壓高于其他模塊。其他模塊將反饋零占空比信號到功率級，并保持空閑狀態。在這一點主模塊提供所有的負荷電流，并且在均流母線上輸出響應電流。其它模塊的調節放大器檢測到其負載電流和主模塊電流的差異，開始轉換調節放大器的輸出來提高電壓放大器的參考電壓。同時主模塊的調整放大器輸出保持鉗位在低于調整門限，從而保持原參考電壓不變。在時間t2，其他的三個調整放大器超過調整門限，開始改變參考電壓。在時間t3，模塊＃2的參考電壓最接近主模塊，并且負載電流在這兩個模塊間均分。另外兩個模塊＃3和＃4依然在調節參考值。在時間t4，模塊＃3取得理想電壓，負載電流在這三個模塊間均分。在時間t5，最后一個模塊完成了參考值調節，因此電流均分。如果需要模塊電流緩慢建立，可在控制芯片上設置啟動時間比調整時間慢很多的軟啟動。從t1到t5的調整時間t為：t=，CI=

式中：gm的典型值為3；

f為調整放大器的單位增益頻率；

CI為調整放大器補償電容；

Va為調整放大器偏差；

I為調整放大器最大電流（220μA）。

為了限制電流環的帶寬，調整放大器需連電容CI補償。若所需調整放大器的帶寬為500Hz，CI為1μF。最低參考電壓時，調整放大器輸出為：

Vadj=(VREFmax－VREFmin)17.5＋1

=30mV×17.5＋1

=15.3V

5電壓環和均流環設計

均流系統包括兩個環路：電壓環和均流環。電壓環調整輸出電壓，并且為了有良好的瞬態響應，電壓環的響應比電流環快。電流環是一個低帶寬環以抑制從均流母線上產生的噪聲，并且帶寬應該足夠低以防和電壓環相互作用,即電流環比電壓環的交越頻率低并且分得足夠開，但電流環的交越頻率也不能太低，因為這需要過大的補償電容。電壓環的響應由調制電路拓撲、環路其他增益函數決定。為了穩定性，電流環在電壓環的交越頻率處不能產生過度的相移，所以電流環的交越頻率比電壓環的交越頻率至少要低10dB/十倍頻，最好低20dB/十倍頻；并且電流環的零點應該在

圖4用UC3907完成的4模塊啟動時序（無軟啟動）

圖5

圖6模塊均流電路

電壓環的交越頻率的左邊，如可以在電流環的交越頻率處設置一個零點，這樣可以減小電流環在電壓環的交越頻率處產生的影響。

根據電流環均流電路，功率電路及整個系統（均流電路和功率電路的組合）的幅頻特性、相頻特性作出的波特圖如圖5所示。

整個電壓環的增益GV(S)如下：GV(S)=A(S)式中：為不同拓撲電路輸出到PWM控制信號的增益；為PWM控制信號的增益到電壓放大器輸出的誤差信號；

A(S)為電壓放大器的傳遞函數。

整個電流環的增益GI(S)如下：

GI(S)=AO·ACS·ABA·AADJ·APWR

式中：AO為輸出電壓和檢測電阻上的電壓之比；

ACS為電流放大器的增益（20）；

ABA為緩沖放大器的增益（1）；

AADJ為調整放大器的增益；

APWR為功率級的傳遞函數。

6實驗結果

用UC3907設計均流的50V/80A電源系統，使用4個20A電源模塊并聯，模塊均流電路如圖6所示。

UC3907的14腳輸出在1.5V到2.25V之間，6、7腳和電阻R1、R2構成回路，使發射極約為1.5V。對于主模塊，14腳輸出為1.5V，所以NPN三極管不通，集電極接5V的高電位到控制電路；對于從模塊，14腳約為2.25V，三極管導通,集電極電位從5V下降到4.75V左右，再接控制電路調整輸出跟隨主模塊。

實驗數據如表1、表2所列。

表1負載電流40A時的均流狀況

從利用UC3907設計的均流電路的實驗數據可以看出UC3907是一種性能比較好的均流芯片，能很好地完成均流任務。