UC3902均流芯片的应用

2006-05-07 15:49:50来源: 电源技术应用

1 引言

直流模块并联的方案很多,但用于电力操作电源,却存在着一些缺陷:如输出阻抗法的均流精度太低;主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术,使并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证;而自主均流法依据特有的性能,如:“均流精度高,动态响应好,可以实现冗余技术等”,越来越受到广大产品开发人员的青睐。

针对自主均流法的特点,UC公司开发出了集成芯片UC3902,其外形为八个管脚,管脚编号及功能如图1所示。电流最大的模块被自动确定为主模块,主模块驱使均流母线电压与它的输出电流成比例。从模块以均流母线电压为基准,达到每个模块均分电流的目的。

2 UC3902内部框图介绍

UC3902集成芯片通过精确地调整变换器的输出电压以匹配所有的输出电流。另外,此芯片有一个独特的有利条件是它使用了差模均载母线,这种结构大大增强了系统对噪音的抑制能力。图1是它的内部框图,由以下几个部分组成:

(1)检测电流放大器(CURRENTSENSEAMPLIFIRE)

(2)均流驱动和均流检测放大器(SHAREDRIVERandSENSEAMPLIFIER)

(3)一个跨导式误差放大器(GMAMPLIFIRE)

(4)缓冲级调整放大器(ADJOUTPUTAMPLIFIER)

(5)辅助工作电路,用以提供内部偏置和芯片内部的参考

电流检测放大器,其增益为40。电流检测放大器的输出是与电源模块的输出电流成正比,且作为输入信号提供给均流驱动放大器的正向输入端和误差放大器的反向输入端。因为均流驱动放大器为单位增益,所以均流驱动放大器的输出电压等于电流检测放大器的输出电压。假如这个电压在所有模块中属于最高电位,那么这个模块称为主模块,主模块均流驱动放大器的输出决定了均流母线的电压。比均流母线电压低的模块称为从模块,从模块控制器的均流驱动放大器的输出是不与均流母线相通的,这是因为被串联在均流驱动放大器输出的二极管隔离了。

均流检测放大器检测差模均流母线上的电压,并把输出信号作为误差放大器的正向输入端,跟均流驱动放大器一样,增益也为1。因此均流检测放大器的输出电压与主模块的输出电流相对应,也就是和均流母线上的电压相对应。

UC3902的误差放大器应用了跨导放大。如果把反馈网络连接在误差放大器的反向输入端与输出端,那么所代表的输出电流是不准确的。而跨导放大器把反馈网络连接在误差放大器的输出与地线之间,这样把电流信号的可靠性放在误差放大器的反向输入端,提高了放大器输出电流的可靠性。同时,跨导放大器需要一高的输入与输出阻抗,用电流源输出阻抗代替电压源输出阻抗,相应的跨导被定义为A/V,乘以带有补偿网络阻抗的跨导GM,就转化为V/V。

误差放大器稳定状态的输出电压是电流检测放大器的输出和均流检测放大器输出的电压差的函数,当工作在主模块状态时电压差为零。为确保误差放大器正确的工作状态,有50mV的偏置串联在它的反向输入端。这种人为的补偿是为了增加主从模块之间转换的裕度,同时将确保工作在主模块状态的误差放大器输出为零,但所有的从模块产生非零的误差电压,这一非零的误差电压是与各个电源模块电流检测放大器的输出和均流母线电位之差成比例的。

误差放大器的输出电压是用来调整变换器模块的输出电压,以平衡所有并联模块的负载电流,这是通过一调整放大器和缓冲三极管NPN来实现的。调整放大器输出的误差信号去驱动NPN三极管,一个电阻连接在三极管的发射极和地,误差信号定义为IADJ,它流经ADJ管脚与正的输出端之间的电阻RADJ。就是通过IADJ改变RADJ上的电压来调节模块的输出电压,从而实现模块间的均流。

3 UC3902外围电路的设计

UC3902的外围电路如图2所示。此芯片只需要很少的外部元器件。在这些元器件的值被计算之前,模块变换器中的三个参数必须知道:

(1)VONOM即额定输出电压;

    (2)IOmax即最大输出电流;

(3)ΔVOmax最大输出电压调节范围。

模块之间为了精确均流,每个模块输出电流必须被检测。电流检测电阻RSENSE,检测一负信号输入到电流检测放大器反向端。对检测电阻的选择基于以下两个因素:①最大功耗;②通过检测电阻的最大压降。功耗受效率、器件的额定功率的限制。最大压降必须与芯片内部对信号的限制相对应,很重要的一点是防止电流检测放大器的饱和,放大器输出的最高电压VCSAO是VCC的函数,根据芯片提供的资料和实际调试的经验,取5V~10V为宜,相应可得:

VSENSEmax=VCSAO/ACSA    (1)

式中电流检测放大器的增益ACSA=40。

    RSENSE=VSENSEmax/IOmax    (2)

IADJmax,根据经验应工作在5mA~10mA之间,因为较低一点的值可能引起系统对噪音的敏感,但不能超过10mA。它的实际电流由ADJR管脚上可能的最高电压(2.6V)和连接在ADJR管脚与地之间的电阻RG来决定,这样:

    RG=2.6V/IADJmax    (3)

RADJ是电源检测线正端的阻抗,它的值是ΔVOmax与IADJmax的函数,又由于检测电阻降低了输出电压的调整范围,所以:

    RADJ=(ΔVOmax·RSENSE)/IADJmax    (4)

所有并联单元的均流环是负反馈控制环,为了可靠地工作,负反馈控制环必须服从稳定性原则。均流环加在已存在的单个模块电源上,所以必须避免各控制环之间的干扰。为了保证电压环的稳定性,均流环的交越频率至少低于电压环交越频率的10倍,这样均流环在电压环交越频率处被最小化。

可以用以下的传递函数,对网络进行分析:

APWR:电压环的传递函数。

AVo→Vis:这个增益术语描述的是输出电压和检测电阻上的电压之间的关系,它随着负载阻抗的变化而变化:

    AVo→Vis=RSENSE/RLOAD    (5)

ACSA:电流检测放大器增益,大小为40。

ASHA:均流驱动和均流检测放大器增益1。

AEA:误差放大器的增益。

AEA=GM·XCOMP    (6)

式中GM为跨导,XCOMP为复频函数补偿器件的阻抗。

AADJ:调节电路增益。

    AADJ=(RADJ/RG)·(Rout1/Rout2)    (7)

所以均流环增益:

ASH=APWRAVo→VisACSAASHAAEAAADJ    (8)

4 实验参数的确定和结果分析

电源模块并联时的原理如图3所示。电源模块输出最高电压143V,最低电压120V,最大电流10A,辅助电源采用15V供电。芯片内部的运算放大器最高输出电压为10V,这也是均流母线上的最高电压。对母线电压的选择要综合考虑噪音的敏感度,均流精度和并联的模块数。均流母线只由主模块驱动,从模块在均流母线上代表10k电阻的负载,这意味着每个模块单元在均流母线上将以100μA/V增加主模块芯片均流端的供电负载。为提高均流精度,检测电阻采用精度比较高的电阻,选VCSAO为6V,因此:

    RSENSE=6/(10×40)=0.015Ω

电阻RG的值依赖于NPN缓冲三极管和RADJ电阻。三极管的集电极电流应该小于10mA,为安全使用选为5mA,较小的电流会增加对噪音的灵敏度,而过高的电流会增加三极管的损耗,在芯片内部缓冲三极管的损耗是很重要的一部分。为此:

    RG=2.6V/5mA=520Ω,实际选为510Ω。

电阻RADJ由最大电压输出范围决定,

    ΔVOmax=(143-120)/25=0.91V

    式中:25=(Rout+Rout2)/Rout2

    所以:RADJ=(0.91-10×0.015)/5mA=152Ω

实选RADJ=150Ω;

补偿元件Cc和Rc可由均流环增益求得:

    ASH=APWR×(RSENSE/RLOAD)×40×GM×(1/sCc+Rc)×(RADJ/RG)×24

    假设均流环的交越频率=500(rad/sec),此点处电压环的增益为40,GM=4.5mA/V,所以:

    CC=40×(0.015/14.3)×40×4.5×10 -3×(1/2π×10 3×(150/510)×24=8.5μF

实际取CC=10μF。

    电阻RC的值由选择的交越频率和电容CC决定:fO,S=1/RcCc;

由此可得,RC=200Ω。

实际用四个模块做了并联实验,它的均流精度如表1所示。由表1可知,它的半载均流精度控制在2.5%以内。

表1 模块均流精度

Io1(A) Io2(A) Io3(A) Io4(A) ITOTAL(A) IACG(A) IERROR(A) 精度(%)
1.21 1.25 1.19 1.23 4.88 1.22 0.06 4.9
2.53 2.48 2.50 2.59 10.0 2.56 0.11 4.3
3.41 3.40 3.46 3.35 13.62 3.41 0.11 3.2
4.65 4.71 4.56 4.60 18.52 4.63 0.15 3.3
5.55 5.54 5.48 5.67 22.44 5.61 0.14 2.5
6.32 6.35 6.28 6.40 25.35 6.34 0.12 1.9
7.74 7.82 7.69 7.89 31.14 7.79 0.20 2.5
8.63 8.63 8.74 8.59 34.59 8.65 0.15 1.7
9.98 10.01 9.89 10.00 39.97 9.99 0.12 1.2

表中:IERROR=IOmax-IOmin;均流精度=(IERROR/IAVG)·100%

5结语

UC3902均流芯片应用在电力操作电源中具有如下的特点:

(1)均流精度高。

(2)外围电路设计简单,不象UC3907那样过于复杂。

(3)易于做热插拔操作。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2222.html
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