开关电源的并联或串联操作
日期：2022-05-29
解释了在同一系统中连接多个电源的典型场景及其背后的原因
作者：Alexander Mezin，EMEA高级现场应用工程师，SL Power Electronics在连接到交流电源的应用中，单电源在大多数情况下是足够的。然而，有时会设置额外的边界，以满足更高的功率需求、系统可靠性，甚至是机械约束。
在不能容忍电源故障的关键应用中，连接两个或多个电源以实现冗余非常重要。均流电路或负载均流电路能够在所有有源电源上均匀地管理输出电流，从而大大降低每个电源上的应力，并使其运行更冷，从而提高有源电源的可靠性。
冗余共享是通过同时并联切换所需数量的电源来控制内部或外部电源。如果发生电源故障，控制电路将自动切换到另一个冗余电源，以持续供电。
主动冗余配置允许保持部分并联电源未加载，因此关键部件不会受到压力。这种系统方法延长了备用电源的使用寿命。
冗余电源的典型选择要求选择并联连接的相同类型的电源，以确保相同的操作，无论哪个单元将连接到负载。
虽然可能有多种方法可以通过并联电源实现负载共享，但星型布线方法通常是最推荐的方法。图1显示了三种典型的星形接线方案，它们为任何所需的冗余级别提供了选项：
图1左图中的第一种方法展示了一种基本的星形布线方案，该方案提供了基本的冗余级别，而不包括负载共享功能严格不需要的额外组件。然而，许多安全关键系统要求可靠性，这就演变成了一种高级冗余，需要为这种负载共享布线方案添加额外的组件，如图1所示。
图1：冗余操作，基本星形接线选项
尽管半导体二极管在简单性方面是一种成功的冗余方法，但由于其功率损耗的影响，它们可能会被忽略。如图1所示，在不受功率损耗影响的情况下，仍然可以实现这种冗余水平。
这种精心设计的方案包括相同的基本或星形布线方法，然而，它的效率要高得多。它演示了使用兼容集成电路控制器驱动的MOSFET，引入相关的OR-ing系统。
高电流（并联运行）
将多个电源并联而不是使用更高功率单元的原因可能是，例如，模块化配置或设计公司中的各种应用具有更大的功率范围、机械限制，甚至市场上缺乏符合所需规格的产品。
模块化应用中的一个常见示例是，随着系统构建块的添加，系统设计师会并行添加越来越多的电源。在各种各样的情况下，采购团队可能更喜欢在简单设计的材料清单上有一个单一的电源，在更强大的设计中有相同类型的电源并联堆叠。
并联运行电源的选择要求与冗余电源的选择要求相似，但控制功能不同。由于单个装置不足以提供所需的电力需求，因此，两个或多个并联电源应始终处于负载状态。在此，控制电路的责任转移到尽可能平衡连接电源之间的负载共享。
平衡电路的实现既可以在电源内部实现，也可以通过外部控制单元实现。内部控制实施的一个例子是额外的负载共享IC，如TI的UCC29002。
对于这种方法，与内部控制并联的电源将需要额外的均流信号线，如左图2所示。外部共享控制，例如由Analog Devices LTC4370提供的，是通过调制MOSFET压降来补偿电源电压中的失配来实现的（图2右侧）。该电路允许并联使用任何电源，并在额外的独立PCB上进行平衡控制。
图2：并联运行，内部（左）和外部（右）均流控制
在允许容许输出电压降的应用中，可以使用下垂均流法。对这种配置的基本理解是，电源设计为随着负载电流的增加而降低输出电压。这允许两个或多个电源在相同电压水平下“满足”增加的负载电流，并并联供电，如图3所示。
V1和V2电源相同，但由于制造公差，输出电压通常略有不同。V1有更高的输出电压，将是第一个支持负载。随着电流增加，电压V1降低，它将在某个点达到V2水平，并开始在两个（或更多）电源之间分担负载。
图3：并联运行，下垂均流法
电源并联运行的要点是：
- 并联的电源应具有相同的输出电压
- 这种配置旨在增加总输出电流
- 建议平衡输出电源，以便尽可能均匀地分配电源之间的负载
- 应考虑内部或外部控制当前份额的权衡。
- 此外，还应考虑在没有反馈回路但在更大电流下有压降的情况下使用下垂均流法的权衡。
图4：串联操作，基本接线
高电压（串联运行）
增加总功率的一种更简单的方法是串联电源。假设存在电压较低的电源，可通过串联堆叠多个电源来实现所需的输出电压。市场上绝大多数电源的输出电压都低于60Vdc。电压要求更高的60Vdc系统设计可能希望掌握这种类型的解决方案。串联电源的主要注意事项如下：
- 可以用不同的电压堆叠电源。然而，用户必须审查安全标准，尤其是当总输出电压可能升高到更高的60Vdc时。
- 最大可能总电流由发生过载事件时将进入过电流保护的最小单元定义。设计师应该规划准确的恢复场景。
- 其他功能，如抑制或DC_OK信号，通常共享相应电源的相同输出回路（直流接地）。如图5所示，串联的堆叠电源B的输出回路被提升到电源A的输出电压。连接两个电源的控制信号可以缩短其中一个电源的输出。如果仍然需要串联电源的控制功能，可以通过信号隔离板（如ADuM6422A）实现。
图5：电源A的参考电压与负载的参考电压共用同一信号地。电源B的信号接地升高到电源A的输出电压电位
- 如果发生事故负载短路或故障情况，串联连接的电源将反向连接。如果电源未配备反极性保护，建议安装额外的外部反向偏置二极管（图6）。
图6：串联操作，反向偏置二极管保护
https://slpower.com/
推荐行业新闻更多
