電源轉換器輸出之並聯應用

在市場上電源轉換器的產品未設計並聯應用的占大多數，而現今使用者對於功率的需求逐漸增加，因此以多個電源輸出並聯的方式，來提升整體的功率將是一個節省重新設計時間的方案，但是需要搭配良好的均流控制方式。本文將介紹傳統均流的方法與優缺點，並選擇以外接均流控制器的方式，來實現電源轉換器的並聯與均流。

緒論

工業製造逐步往自動化工業發展，智慧工廠已然成為全球趨勢。自動化生產及資訊數位化所需的機械手臂與工業用伺服器等設備，這些工業設備對於功率的需求偏高。另外在鐵道應用方面，列車的控制系統與車用電腦等等，皆需求150W以上的電源供應。在科技的迅速發展下，對於電源的選用除了安全性與可靠度的基本要求外，更要滿足大功率的輸出條件。為了提升轉換器的功率，除了由線路設計方面將電源轉換器的零件及功能做升級。也可以使用兩顆電源轉換器並聯，不需要重新設計新產品，可直接獲得更大的功率，是一種節省設計時間及成本的方法。優點是每個模組承受較小的電流，零件的選擇上較為彈性。以及增加備援，當其中一個電源失效，仍可以維持輸出電壓，並執行維修及更換，增加電源整體的可靠度。

但是，若將兩組電源直接並聯相接，即使是相同規格的兩個電源，也會有輸出電流不均等的情況發生，若長期使用會使電源壽命縮短以及可靠度問題。到目前為止發展出的並聯方案相當多，主要方法分為兩大類，電壓下垂法(Voltage droop method)以及主動式均流法(Active current sharing)。本文將會介紹被動式與主動式均流的優缺點，並研究以IC作為主動式均流控制器，最後將以兩顆40W的直流轉換器，搭配主動式均流測試板，實現並聯均流的結果。

 

應用線路

並聯介紹

並聯電源系統理想的特性是，每個電源模組能夠穩定的共享負載電流。主要分為被動式與主動式均流兩大類，而主動式均流的方法又可以分為三種，分別是平均電流法、直接主僕法與自動主僕法。

由於每個電源模組存在著公差，若沒有對電源模組採取措施平均分配電流，而直接並聯相接，如下圖2。會造成輸出負載不平衡，輸出高電流的電源會承受較大的應力，若長期使用會減少電源壽命。或是導致某一組電源超過負載上限，進而啟動保護機制使輸出功能失效。

電壓下垂法(Voltage droop method)

電壓下垂法是在電源的輸出端外接電阻，隨著負載電流的增加，使輸出電壓下降的方法，去實現轉換器之間的電流均衡。此方法在電源之間沒有訊號連接，互相不受到影響，是一種開放迴路的均流方式。

 

下圖3模擬a、b兩組並聯的系統，分別外接電阻500以及200歐姆。可看出a組的兩電源輸出電流差異較小，b組的輸出電流差異較大。當外接輸出電阻越大，能夠使兩模組之間的輸出電流差異減小，達到平均電流的效果。

電壓下垂法可以用最簡易的方式實現均流，並且各電源模組之間各自獨立，不需額外控制。但是電流較大的電源模組，在流經電阻器時，會產生功率消耗，造成最終輸出效率降低，並且在不同功率的電源之間，很難執行電流共享。這是電壓下垂法最大的缺點。

主動式均流法

主動式均流法是透過電流匯流排連接至每一個電源模組，蒐集所有電源模組的電流訊號做為參考值，再透過比較自身電流與匯流排訊號來調整輸出，使每個電源模組的輸出電流能趨向一致。

由參考訊號產生的方式，可以分下列三種

• 平均電流法(Average current Method)

取得所有電源模組的電流訊號並加以平均，再將此訊號做為各模組的參考電流訊號。輸出電流較低的電源供應器，將會收到匯流排的訊號將輸出電壓提高，使輸出電流達到系統的平均電流。優點是訊號線較少，抗雜訊能力強。但是當遇到某些問題時，會造成整體系統無法運作，例如當其中一組電源遇到電流限制時，輸出電壓將調降至0V。共享總線電流訊號降低，則其他電源模組會不斷調低本身的輸出電流，造成整體均流失去效果。

• 直接主僕法(Directed Master-Slave Current-Sharing)

指定一組主電源模組(Master)，其他的皆為僕電源模組(Slaver)。即以主電源模組的電流訊號為參考訊號，其他電源模組根據此訊號來調節自身的電壓，以達到電流均衡的效果。缺點為當主電源損壞時，整個系統失去參考訊號，而變成直接並聯，失去主動均流的效果。

• 主動主僕法(Automatic Master-Slave Current-Sharing) 

利用串接二極體的方式，系統可以自動決定輸出最大電流的模組為主電源模組，並提供訊號至匯流排，提供其他僕電源模組做為參考訊號，僕電源模組根據參考訊號調整輸出以達到均流。因主電源可隨時被替換，因此若其中一組電源損壞，並不影響整體的並聯效果，可靠度相對比較高。
 

外部控制器

在各個並聯的電源模組之外，加上一個外部控制的模組，市面上有不少主動式的均流IC可做為外部控制器。一般為每個電源模組需外接一個外部控制器，再由每部控制器接收所有電源模組的電流訊號進行處理，控制器再送出均流控制訊號給各電源模組，調整電源模組的輸出電流來達到均衡。此方式雖然可以得到較高的均流準確性，但通常會有較複雜的線路設計，相對的成本也會比較高。

二極體(ORing)

當兩電源並聯時，由於零件誤差等因素會造成兩電源輸出電壓不會完全相同，因此輸出電壓較高的電源，可能會讓電流逆流回其他電源中，造成電源模組的損壞。因此在輸出路徑上串聯二極體，使各電源模組的電流只能往負載端流動，避免外部電流進入電源模組內部。

外接二極體的另一好處是可以製造備援，使用N+1架構增加至少一組額外的電源模組。當其中一組電源損壞時，二極體可以保護其他電源模組不受影響，維持系統的輸出功能。

實際範例

本文選擇以外接控制器的方式，來實現兩組獨立電源轉換器的並聯與均流。選用兩顆40W的直流電源轉換器將輸出並聯，以及TI (Texas Instruments)的均流控制器UCC39002，搭配外接零件，即可將輸出均流的精準度控制在1%以內。

IC功能

UCC39002內部設定為自動主僕法，透過偵測電阻與內部放大器決定電流訊號較大的為主電源，其他為僕電源，而兩者之間的電流差異將產生誤差訊號，透過僕電源模組的偵測腳位(sense pin)與外接電阻，促使電源轉換器的輸出電壓提高，以此方式執行均流。下圖5為IC功能方塊圖

 

• 電流偵測放大器(Current sense amp)

CS+與CS-兩端之間有一偵測電阻(R_shunt)，電流偵測放大器將偵測電組兩端的電壓增益放大。由於偵測電阻上的電壓變化量比較小，需要增益放大器將訊號放大，以利後端電路使用。

• 均流匯流排驅動器(Load share bus driver)​

接收來自電流偵測放大器的訊號，當此訊號為所有電源模組中最高的，將對二極體產生順向偏壓，成為主電源。其他電源則因為二極體的逆向偏置，V_CSO與V_LS的訊號被分離，可以各自與主電源的電流訊號進行比較。

• 均流匯流排接收器(Load share bus receiver)

可以直接偵測來自主電源的電流訊號，再將訊號送入誤差放大器。

• 誤差放大器(Error amp)

誤差放大器的兩端來自主模塊與本身電流檢測放大器的電流訊號，將兩訊號進行比較，若主電源的電流訊號高於本身，將會在EAO與GND之間的補償元件產生誤差訊號。然後誤差訊號由調整放大器進行輸出電壓調整。如果為主電源，V_CSO與V_LS電流訊號相等，不會產生誤差訊號，也不會做任何電壓調整。

• 調整放大器(Adjust amp)

調整放大器的誤差訊號用來驅動電晶體，當電流流過R_ADJ造成V_ADJ小於Vo，電源模組的感測腳位偵測到之後，內部電路將調高輸出電壓，實現電源模組之間的均流。在主電源上V_EAO等於0V，因此I_ADJ也為0A，確保主電源的輸出電壓未被改變。

應用實例

下圖6為實際執行的均流測試板，包含兩組控制線路。並且預留LS端子，可因應多組並聯模組需求。

 

實驗條件

下表為本實驗選用的直流-直流電源轉換器規格

DC to DC Converter	40W
Input voltage	9-60Vdc, Nom.24Vdc
Output voltage	12Vdc
Output current (full load)	3.33A
Efficiency (typ.)	91%

實驗參數設定

IC所需的外部零件要根據所搭配的電源模組來決定，以下為各零件參數的設計說明

電流偵測電阻

由於電流偵測電阻是串接在電源的電流迴路上，須確保在輸出電流最大時，電阻器兩端的壓降要遠小於模組的最大輸出電壓調整範圍。本次選擇的轉換器其最大輸出電壓調節範圍設定為5%

並考慮偵測電阻產生的功耗不宜過大以及可選用的額定電阻值，因此將最大功耗限制為0.5W，可計算出偵測電阻的最大容許值為

選擇40mΩ做為偵測電阻，並重新驗證零件是否恰當

 

電流偵測放大器的增益

電流偵測放大器的增益由CS-與CSO的外部元件來調整，為避免內部放大器飽和，其限制為V_CSO（max）

電流偵測放大器的最大增益為

本文選擇電流偵測放大器的最大增益為30，並透過R_CAS1與R_CSA2來設定

為了濾除雜訊，可透過以下公式計算出濾波電容C_CSA的電容值

本文取100pF作為濾波電容C_CSA。

 

調整電阻

電源轉換器的Sense+連接到控制器的ADJ 腳位，並與負載端之間放置一電阻R_ADJ，調節放大器將流經R_ADJ的電流與誤差放大器的輸出電壓成比例，因此可透過R_ADJ的壓降去調整電源轉換器的輸出電壓，當電源轉換器的輸出電壓被提高，其輸出電流也相對增加，直到誤差放大器的輸出關閉為止。

電阻的選擇要維持內部電晶體可以運作，因此ADJ引腳上的電壓必須維持在比EAO引腳上的電壓高大約1 V，因此R_ADJ可計算為

另外須考慮的是內部調整放大器可抽取的最大電流是6mA，由內部射極電阻500Ω與3V的齊納二極體所確定。假設R_ADJ的最大壓降不大於電源模組的最大輸出電壓調整範圍

為了滿足上述兩個條件，因此選擇100Ω做為調整電阻。

 

應用線路

實作結果

以兩顆相同規格的直流電源轉換器執行輸出並聯控制器的確認。給予兩轉換器同一輸入源24Vdc，電源轉換器將穩定輸出12Vdc，負載電流以每增加10%做詳細記錄，記錄每組電源轉換器的輸出電壓、輸出電流以及總輸出電壓。並計算出各自的電流分配比例及誤差，如下圖8。

下圖8可觀察出，兩組電源轉換器的輸出電流所占比例與理想分配50%電流的誤差落在0.5~2.2%。當輸出負載高於滿載的50%時，誤差皆小於1%。且並聯系統的輸出電壓(Vo)可控制在轉換器的準確度規格1%內。因此整體看來當電源轉換器外接均流控制線路，對於輸出電壓精準度與輸出效率，都可以滿足電源轉換器的規格。

將輸出電流分配誤差與負載比例做折線圖，如下圖9未使用均流控制器，只在兩電源轉換器輸出端外加二極體。圖10為使用均流控制線路。可明顯看出圖10的均流精準度比較高。並當負載電流越大時，平均電流的效果越好。

在一般應用中，須要考慮到動態負載的條件，當負載電流瞬間變化時，觀察電流及電壓變化是否會受到影響。下圖11為兩電源轉換器的輸出電壓以及輸出電流，抓取輸出由80W降至40W的瞬間波形，圖12為系統的總輸出電壓及輸出電流。由下圖可觀察出，當負載進行變化時，系統的輸出電壓及電流皆維持穩定。

注意事項

為了使均流系統得到更好的精準度，在前端電源方面與走線的配置上，建議完成以下事項

• 互相並聯的轉換器，輸入源必須由同一組電源供應器提供，確保每一個轉換器的輸入電壓相同，也可將時序差異降到最低。
• 電流路徑經由導線及PCB銅箔，多少都會造成電流誤差，因此走線路徑的長度需要特別注意，設計上以每組均流系統的路徑對稱為原則。

 

結論

本文以現有的直流電源轉換器產品，設計外接均流線路來執行並聯，以提高整體的輸出功率。藉由實際的實驗結果確認並聯的可行性。當輸出負載高於滿載的50%時，均流誤差小於1%，在輸出滿載時，均流誤差可以縮小到0.5%。並且確認動態負載條件下，整體的輸出電壓及電流仍可以保持穩定。因此並聯系統的可行性是可以被確認的。

 

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