電源并聯(lián)：多選項，衡利弊

系統(tǒng)設(shè)計人員希望考慮將直流電源并聯(lián)使用可能有很多原因。其中有些與物料清單和物流問題相關(guān)，其他則集中于滿足系統(tǒng)電流、性能或可靠性目標(biāo)。

在非設(shè)計方面，并聯(lián)電源的能力也利于某個電源能單獨(dú)使用，或在跨廣泛產(chǎn)品線中組合使用。這可以簡化采購，增加單一電源的用量并簡化庫存管理。

當(dāng)然，考慮并聯(lián)電源的技術(shù)原因更加復(fù)雜。首先，或許由于無法獲得較低功耗的元器件，或者市場增加了新賣點(diǎn)和新功能，產(chǎn)品可能實(shí)際上比預(yù)算需要更多電流，這時使用并聯(lián)電源可能是一種“保險”的形式。其次，并聯(lián)電源可以支持N+1甚至N+2冗余，以防止單點(diǎn)故障，或在不影響系統(tǒng)的前提下實(shí)現(xiàn)故障電源的熱插拔。第三，它允許使用功能、特點(diǎn)和外形尺寸熟知的、經(jīng)過驗(yàn)證的電源，因而可減少設(shè)計導(dǎo)入風(fēng)險和不確定性。最后，如果一個高功率單元在一個高度局限的區(qū)域散熱量太多，它可以通過增加電源轉(zhuǎn)換器布板的靈活性來實(shí)現(xiàn)“熱擴(kuò)散”。

電源并聯(lián)提供靈活性和潛在好處的同時，也帶來了一個明顯的問題：可以在并聯(lián)配置中使用任何電源嗎?答案是“不能”。它取決于電源的設(shè)計、電源連接所用的技術(shù)，以及并聯(lián)使用電源的理由。

希望將電源并聯(lián)最明顯和最簡單的方法是簡單地將其輸出連接在一起。一般來說，這行不通，因?yàn)槊總€電源都有其自己的輸出電壓調(diào)節(jié)，因此不僅要設(shè)法在其負(fù)載變化時仍然保證這個調(diào)節(jié)，而且在調(diào)節(jié)時還需要避開其他電源閉合回路的影響。

對于那些內(nèi)部包括傳統(tǒng)的誤差放大器和參考的電源來說，只以并聯(lián)方式放置多個電源不是實(shí)現(xiàn)高功率陣列的有效方法。電源之間的參數(shù)差異往往會引起一個電源——那個以輸出電壓為基準(zhǔn)的最高參考電壓的電源——承載所有負(fù)載電流，而所有剩下的電源不會帶載。

在這種情況下，當(dāng)負(fù)載超過了這個“領(lǐng)先”電源(承擔(dān)最大負(fù)載)的帶載能力時，它可能會進(jìn)入一種恒流極限模式(這可能會也可能不會是一個額定工作模式)，或者它可能把過載當(dāng)作故障而關(guān)閉。取決于這個被討論的電源，這些響應(yīng)可能會導(dǎo)致過應(yīng)力，尤其是在它們作為應(yīng)用中常規(guī)操作的一部分出現(xiàn)時。此外，對于那些由于過載而出現(xiàn)電源關(guān)閉的情況，在電源陣列中第二高參考電壓的電源將被迫承載整個負(fù)載，并將同樣關(guān)閉。這將很快導(dǎo)致整個電源軌的崩潰。

如果一個電源設(shè)置為恒壓(CV)模式，而其他電源設(shè)置為恒流(CC)模式，但輸出電壓稍高，直接連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式可能很有效;請注意，并非所有電源都允許選擇輸出模式。設(shè)置為較高輸出電壓的電源將提供恒流輸出，而它們的每個輸出電壓都將下降，直到等于CV電源的輸出。負(fù)載必須吸取足夠的電流，以確保處于CC模式的電源必須保持在該模式下運(yùn)行。請注意，使用這兩種方式意味著多個電源不再完全相同，從而削弱了并聯(lián)配置的某些優(yōu)勢。

如果電源是專為支持這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者如果有一個控制回路誤差放大器可以反饋誤差信號回到所有其他電源，使它們共享負(fù)載，直連方法是可行的。不過，對于從主到從的控制信號來說，后一種方法還需要一條“均流母線”。

另一種方法是為每個電源的輸出增加串聯(lián)的小鎮(zhèn)流電阻器，以均衡陣列中電源之間的負(fù)載電流分布，甚至是在其控制回路看到不同輸出電壓時，如圖1所示。鎮(zhèn)流電阻器會對負(fù)載調(diào)節(jié)產(chǎn)生一些影響，這取決于鎮(zhèn)流電阻意欲克服不均流所產(chǎn)生的設(shè)定點(diǎn)誤差的大小。不過，這些鎮(zhèn)流電阻器也會散發(fā)熱量，降低系統(tǒng)效率。

圖1：一種均流方法是在每個電源輸出使用較低數(shù)值的鎮(zhèn)流電阻器，但由于電阻相關(guān)的耗散和整體效率，這種方式也存在問題。

這個“OR”那個?

針對直連困擾的看似“簡單”的一個解決方案是只在每個電源和所有電源的公共連接點(diǎn)之間使用二極管連接，該技術(shù)通常稱為二極管ORing(圖2)。ORing二極管對防止電源吸入(sinking)連接點(diǎn)的電流非常有效，但通常不足以解決有獨(dú)立誤差放大器的電源中的均流誤差，因?yàn)槎O管的導(dǎo)通特性曲線比較陡，以致電源設(shè)定值的參數(shù)差異仍然會導(dǎo)致嚴(yán)重的均流問題。

圖2：原則上可以通過使用二極管組合多個直流電源輸出來隔離一個電源與另一個電源，但這種配置有很多有關(guān)負(fù)載平衡和均流的性能問題。

二極管ORing對于其輸出可以同時吸入和流出電流(雙象限工作)的電源獨(dú)立運(yùn)行來說一般是必需的。相對單象限電源來說，如果沒有ORing二極管，直接并聯(lián)這種電源的效果更糟糕。單象限電源只有負(fù)載均流誤差，但雙象限電源的調(diào)節(jié)會產(chǎn)生競爭性輸出電壓控制。這將導(dǎo)致超過負(fù)載電流的大電流在陣列中的電源間循環(huán)流動，并可能立即導(dǎo)致一個或多個電源過載。

此外，如果二極管的導(dǎo)通閾值是負(fù)溫度系數(shù)，這實(shí)際上將會促使陣列中的電流錯亂(hogging)。采用正溫度系數(shù)的整流——肖特基二極管，或是通過使用在有源ORing實(shí)現(xiàn)中采用FET和整流器構(gòu)建的類似二極管的功能——是減少該問題的一個方法，但由于二極管正向壓降，效率將會降低，并且有源ORing會增加成本和復(fù)雜性。

在某些情況下，二極管ORing仍然可以改善系統(tǒng)級的可靠性。感興趣的主要情況是其中的一個電源出現(xiàn)輸出FET或者電容短路，這可能危及共同輸出電壓軌。ORing二極管會快速將該短路電源與輸出隔開，從而提高可靠性和系統(tǒng)魯棒性。

誰來負(fù)責(zé)?

為了在陣列中實(shí)現(xiàn)可靠和可預(yù)見的工作，電源一般必須專門針對并聯(lián)工作來設(shè)計。我們必須全面考慮啟動同步、故障保護(hù)協(xié)調(diào)，以及控制回路的穩(wěn)定性。

對于一個可為負(fù)載提供更高水平可用電流的并聯(lián)陣列電源來說，需要采用針對陣列使用的某種類型的控制回路策略。一種流行的控制策略是運(yùn)行沒有內(nèi)部穩(wěn)壓放大器的電源，但用一個由誤差放大器控制的公共控制信號輸入將它們組合在一起。這個誤差放大器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，然后其單反饋信號被分發(fā)到系統(tǒng)中的所有電源。

這種流行控制策略的主要優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓的調(diào)節(jié)很好，而均流誤差由部件間的調(diào)制器增益的偏差所決定。不利的方面是，使用單個誤差放大器和單線控制母線可能會產(chǎn)生單點(diǎn)失效，這對某些類型的高可靠性系統(tǒng)可能是個問題。另外，調(diào)制器增益的參數(shù)誤差難以控制，這往往導(dǎo)致制造商權(quán)衡良率來控制共享誤差。

對于單控制回路的方法，如果電源對其控制節(jié)點(diǎn)輸入具有很小的容限，那么均流誤差可降到最低。如果共享誤差很大，那么要么必須降低陣列的額定功率，以避免由于共享失衡造成陣列中任何單個電源過載，要么需要采用具體處理措施。用于改善由于不同部件間的差異所造成的均流誤差的技術(shù)包括在生產(chǎn)中針對輸出誤差進(jìn)行校準(zhǔn)(這種方法昂貴)，或者在陣列中每個電源附近增加電流控制環(huán)來消除該誤差(這會增加復(fù)雜性和器件)。這些本地回路的電流檢測通常需要對電源增加分流電阻。

對于控制節(jié)點(diǎn)是參考初級側(cè)的隔離DC-DC電源來說，會出現(xiàn)第二種障礙：初級側(cè)和次級側(cè)隔離邊界的誤差放大器輸出信號的傳輸問題。根據(jù)所使用的隔離元件，隔離技術(shù)經(jīng)常會增加成本，占用寶貴的空間，而且會對可靠性帶來不利影響。

第二種允許在陣列中采用單獨(dú)電源并聯(lián)的控制回路策略是使用負(fù)載線來效仿鎮(zhèn)流電阻器方法中的路徑上的電阻。通過實(shí)施所謂的“降壓均流(droop-share)”的負(fù)載均流方法，每個電源都有單獨(dú)的參考和集成的誤差放大器，但隨著負(fù)載電流的增加，參考電壓被有意處理為線性減少，從而使得輸出電壓降低一定值。

并聯(lián)電源可能會對瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)節(jié)帶來消極影響。降壓均流方法刻意使用了負(fù)的負(fù)載調(diào)節(jié)方式將負(fù)載分布到陣列中的模塊。因此，對于降壓均流陣列，負(fù)載調(diào)節(jié)往往比用傳統(tǒng)單誤差放大器創(chuàng)建的陣列差。可以在降壓均流陣列周圍使用一個外部控制回路，以有效抵消負(fù)的負(fù)載調(diào)節(jié)方式。因?yàn)橥獠炕芈繁旧砭褪且粋€誤差積分器，由此產(chǎn)生的靜態(tài)調(diào)節(jié)誤差與傳統(tǒng)誤差放大器情況相同。

電源設(shè)計可以簡化，而增強(qiáng)并聯(lián)配置

電源供應(yīng)商可以采取步驟來應(yīng)對并聯(lián)挑戰(zhàn)。例如，采用轉(zhuǎn)換器級封裝(ChiP)的Vicor的DCM DC-DC轉(zhuǎn)換器采用一條內(nèi)置負(fù)斜率負(fù)載線;因此，隨著負(fù)載的增加，DCM的內(nèi)部穩(wěn)壓器僅略微降低輸出電壓。這實(shí)際上就像小鎮(zhèn)流電阻器的實(shí)現(xiàn)方法，但并沒有用任何實(shí)際的電阻器(圖3)，而且具有其他幾個關(guān)鍵特性。

圖3：采用ChiP封裝的Vicor的DCM適用于通過簡單將其輸出連接在一起的并聯(lián);不需要二極管、鎮(zhèn)流電阻器，或其他負(fù)載平衡元件。

首先，它是一種實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流電阻器的不同方法，因?yàn)闆]有物理電阻器，也沒有V×I生成的熱量，不涉及熱能浪費(fèi)。第二個區(qū)別涉及動態(tài)響應(yīng)，因?yàn)轭l率高達(dá)數(shù)百千赫，由于沒有高頻寄生問題，在其I-V傳遞函數(shù)曲線中，真正的電阻器可以被認(rèn)為具有無限的“帶寬”。因此，電阻器上電壓的任何瞬時變化都會導(dǎo)致電流的相應(yīng)變化。

在DCM轉(zhuǎn)換器中，負(fù)載線是通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的離散時間調(diào)制器產(chǎn)生誤差放大器的參考電壓來實(shí)現(xiàn)的。正確的參考值主要是基于DCM輸出電流的估計計算的，并為了降低噪聲，做了一些平均處理。因此，DCM所模擬的負(fù)載線相當(dāng)于電阻并聯(lián)一個大電容。當(dāng)查閱數(shù)據(jù)表圖片時，所看到的電源對階躍負(fù)載的響應(yīng)就是由于這個RC時間常數(shù)所產(chǎn)生的。

盡管如此，雖然這種負(fù)載線輸出特性允許多個DCM輸出直接進(jìn)行并聯(lián)，但是它們自身的誤差放大器控制回路仍處于活動狀態(tài)。如果所有的DCM對負(fù)載都有相同的外部(真正的)路徑電阻，有相同的調(diào)節(jié)設(shè)定值，并且都處于相同溫度，陣列中的DCM上的負(fù)載電流分布是完全相等的。因此，并聯(lián)DCM的行為就像單個DCM，但是有更高的輸出電流(圖4)。

圖4：利用Vicor DCM轉(zhuǎn)換器，并聯(lián)的單元可作為一個轉(zhuǎn)換器使用;此外，如負(fù)載線所示，如果陣列相對最大負(fù)載為N+1冗余，不管任何單個轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障，陣列將繼續(xù)工作。

由于其負(fù)電壓溫度系數(shù)，利用DCM轉(zhuǎn)換器系列，各自單元中的溫度變化不是問題。如果一個電源的加載比其他電源多，相對于其他電源其溫度會上升，這反過來會導(dǎo)致其輸出電壓降低。由于其他并聯(lián)DCM的輸出電壓與加載DCM的輸出電壓相匹配，其輸出將跟隨其負(fù)載線，從而增加其負(fù)載電流的共享，使電路回到平衡。

并聯(lián)DC-DC電源的問題和方法適用于大型轉(zhuǎn)換器，如Vicor的DCM系列，而且也可用于負(fù)載小得多的電源IC。例如，LT3083是Linear Technology公司的一個3A低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器，它支持在每個電源及其共同輸出軌之間使用10 mΩ鎮(zhèn)流電阻器的并聯(lián)工作。

使用并聯(lián)電源是實(shí)現(xiàn)庫存和采購、產(chǎn)品通用性、額外輸出電流和N+1冗余效益的一種有吸引力并可行的技術(shù)。不過，我們必須要了解可能的并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及如何保持跨多個電源的閉環(huán)電源調(diào)節(jié)。