LTC4350自主均流法研究 - 全文

　　摘要：多模块电源系统并联工作时，为了保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一个或多个电源模块运行在电流极限值，而采用并联均流控制技术，可以很好地满足需要。文中分析了LTC4350自主均流法的工作原理和性能特点，采用LTC4350制作了两块实验电源模块，并让其并联工作，做均流和热插拔实验，达到了满意的效果。

　　引　言

　　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升高并大于设定的摘要：多模块电源系统并联工作时，为了保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一个或多个电源模块运行在电流极限值，而采用并联均流控制技术，可以很好地满足需要。文中分析了LTC4350自主均流法的工作原理和性能特点，采用LTC4350制作了两块实验电源模块，并让其并联工作，做均流和热插拔实验，达到了满意的效果。

　　0　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。

　　图2　接通电源时GATE引脚电压

　　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。

　　图2　接通电源时GATE引脚电压

　　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。