UC3902均流芯片的應(yīng)用

摘要：在直流模塊并聯(lián)方案中，自主均流法以其優(yōu)越的性能而得到廣泛的應(yīng)用。UC3902芯片的問世，加速了這一技術(shù)的推廣，并已成功地應(yīng)用于電力操作電源。

關(guān)鍵詞：UC3902 自主均流法

1 引言

直流模塊并聯(lián)的方案很多，但用于電力操作電源，卻存在著一些缺陷：如輸出阻抗法的均流精度太低；主從設(shè)置法和平均電流法都無法實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)，使并聯(lián)電源模塊系統(tǒng)的可靠性得不到很好的保證；而自主均流法依據(jù)特有的性能，如：“均流精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可以實(shí)現(xiàn)冗余技術(shù)等”，越來越受到廣大產(chǎn)品開發(fā)人員的青睞。

針對(duì)自主均流法的特點(diǎn)，UC公司開發(fā)出了集成芯片UC3902，其外形為八個(gè)管腳，管腳編號(hào)及功能如圖1所示。電流最大的模塊被自動(dòng)確定為主模塊，主模塊驅(qū)使均流母線電壓與它的輸出電流成比例。從模塊以均流母線電壓為基準(zhǔn)，達(dá)到每個(gè)模塊均分電流的目的。

2 UC3902內(nèi)部框圖介紹

UC3902集成芯片通過精確地調(diào)整變換器的輸出電壓以匹配所有的輸出電流。另外，此芯片有一個(gè)獨(dú)特的有利條件是它使用了差模均載母線，這種結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)噪音的抑制能力。圖1是它的內(nèi)部框圖，由以下幾個(gè)部分組成：

（1）檢測電流放大器（CURRENTSENSEAMPLIFIRE）

（2）均流驅(qū)動(dòng)和均流檢測放大器（SHAREDRIVERandSENSEAMPLIFIER）

(3)一個(gè)跨導(dǎo)式誤差放大器（GMAMPLIFIRE）

（4）緩沖級(jí)調(diào)整放大器（ADJOUTPUTAMPLIFIER）

（5）輔助工作電路，用以提供內(nèi)部偏置和芯片內(nèi)部的參考

電流檢測放大器，其增益為40。電流檢測放大器的輸出是與電源模塊的輸出電流成正比，且作為輸入信號(hào)提供給均流驅(qū)動(dòng)放大器的正向輸入端和誤差放大器的反向輸入端。因?yàn)榫黩?qū)動(dòng)放大器為單位增益，所以均流驅(qū)動(dòng)放大器的輸出電壓等于電流檢測放大器的輸出電壓。假如這個(gè)電壓在所有模塊中屬于最高電位，那么這個(gè)模塊稱為主模塊，主模塊均流驅(qū)動(dòng)放大器的輸出決定了均流母線的電壓。比均流母線電壓低的模塊稱為從模塊，從模塊控制器的均流驅(qū)動(dòng)放大器的輸出是不與均流母線相通的，這是因?yàn)楸淮?lián)在均流驅(qū)動(dòng)放大器輸出的二極管隔離了。

均流檢測放大器檢測差模均流母線上的電壓，并把輸出信號(hào)作為誤差放大器的正向輸入端，跟均流驅(qū)動(dòng)放大器一樣，增益也為1。因此均流檢測放大器的輸出電壓與主模塊的輸出電流相對(duì)應(yīng)，也就是和均流母線上的電壓相對(duì)應(yīng)。

UC3902的誤差放大器應(yīng)用了跨導(dǎo)放大。如果把反饋網(wǎng)絡(luò)連接在誤差放大器的反向輸入端與輸出端，那么所代表的輸出電流是不準(zhǔn)確的。而跨導(dǎo)放大器把反饋網(wǎng)絡(luò)連接在誤差放大器的輸出與地線之間，這樣把電流信號(hào)的可靠性放在誤差放大器的反向輸入端，提高了放大器輸出電流的可靠性。同時(shí)，跨導(dǎo)放大器需要一高的輸入與輸出阻抗，用電流源輸出阻抗代替電壓源輸出阻抗，相應(yīng)的跨導(dǎo)被定義為A/V，乘以帶有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)阻抗的跨導(dǎo)GM，就轉(zhuǎn)化為V/V。

誤差放大器穩(wěn)定狀態(tài)的輸出電壓是電流檢測放大器的輸出和均流檢測放大器輸出的電壓差的函數(shù)，當(dāng)工作在主模塊狀態(tài)時(shí)電壓差為零。為確保誤差放大器正確的工作狀態(tài)，有50mV的偏置串聯(lián)在它的反向輸入端。這種人為的補(bǔ)償是為了增加主從模塊之間轉(zhuǎn)換的裕度，同時(shí)將確保工作在主模塊狀態(tài)的誤差放大器輸出為零，但所有的從模塊產(chǎn)生非零的誤差電壓，這一非零的誤差電壓是與各個(gè)電源模塊電流檢測放大器的輸出和均流母線電位之差成比例的。

誤差放大器的輸出電壓是用來調(diào)整變換器模塊的輸出電壓，以平衡所有并聯(lián)模塊的負(fù)載電流，這是通過一調(diào)整放大器和緩沖三極管NPN來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)整放大器輸出的誤差信號(hào)去驅(qū)動(dòng)NPN三極管，一個(gè)電阻連接在三極管的發(fā)射極和地，誤差信號(hào)定義為IADJ，它流經(jīng)ADJ管腳與正的輸出端之間的電阻RADJ。就是通過IADJ改變RADJ上的電壓來調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)模塊間的均流。

3 UC3902外圍電路的設(shè)計(jì)

UC3902的外圍電路如圖2所示。此芯片只需要很少的外部元器件。在這些元器件的值被計(jì)算之前，模塊變換器中的三個(gè)參數(shù)必須知道：

（1）VONOM即額定輸出電壓；

（2）IOmax即最大輸出電流；

（3）ΔVOmax最大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍。

模塊之間為了精確均流，每個(gè)模塊輸出電流必須被檢測。電流檢測電阻RSENSE，檢測一負(fù)信號(hào)輸入到電流檢測放大器反向端。對(duì)檢測電阻的選擇基于以下兩個(gè)因素：①最大功耗；②通過檢測電阻的最大壓降。功耗受效率、器件的額定功率的限制。最大壓降必須與芯片內(nèi)部對(duì)信號(hào)的限制相對(duì)應(yīng)，很重要的一點(diǎn)是防止電流檢測放大器的飽和，放大器輸出的最高電壓VCSAO是VCC的函數(shù)，根據(jù)芯片提供的資料和實(shí)際調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)，取5V～10V為宜，相應(yīng)可得：

VSENSEmax=VCSAO/ACSA (1)

式中電流檢測放大器的增益ACSA=40。

RSENSE=VSENSEmax/IOmax （2）

IADJmax，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)工作在5mA～10mA之間，因?yàn)檩^低一點(diǎn)的值可能引起系統(tǒng)對(duì)噪音的敏感，但不能超過10mA。它的實(shí)際電流由ADJR管腳上可能的最高電壓(2.6V)和連接在ADJR管腳與地之間的電阻RG來決定，這樣：

RG=2.6V/IADJmax （3）

RADJ是電源檢測線正端的阻抗，它的值是ΔVOmax與IADJmax的函數(shù)，又由于檢測電阻降低了輸出電壓的調(diào)整范圍，所以：

RADJ=(ΔVOmax·RSENSE)/IADJmax （4）

所有并聯(lián)單元的均流環(huán)是負(fù)反饋控制環(huán)，為了可靠地工作，負(fù)反饋控制環(huán)必須服從穩(wěn)定性原則。均流環(huán)加在已存在的單個(gè)模塊電源上，所以必須避免各控制環(huán)之間的干擾。為了保證電壓環(huán)的穩(wěn)定性，均流環(huán)的交越頻率至少低于電壓環(huán)交越頻率的10倍，這樣均流環(huán)在電壓環(huán)交越頻率處被最小化。

可以用以下的傳遞函數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析：

APWR：電壓環(huán)的傳遞函數(shù)。

AVo→Vis：這個(gè)增益術(shù)語描述的是輸出電壓和檢測電阻上的電壓之間的關(guān)系，它隨著負(fù)載阻抗的變化而變化：

AVo→Vis=RSENSE/RLOAD （5）

ACSA：電流檢測放大器增益，大小為40。

ASHA：均流驅(qū)動(dòng)和均流檢測放大器增益1。

AEA：誤差放大器的增益。

AEA=GM·XCOMP （6）

式中GM為跨導(dǎo)，XCOMP為復(fù)頻函數(shù)補(bǔ)償器件的阻抗。

AADJ：調(diào)節(jié)電路增益。

AADJ=(RADJ/RG)·(Rout1/Rout2) (7)

所以均流環(huán)增益：

ASH=APWRAVo→VisACSAASHAAEAAADJ (8)

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定和結(jié)果分析

電源模塊并聯(lián)時(shí)的原理如圖3所示。電源模塊輸出最高電壓143V，最低電壓120V，最大電流10A，輔助電源采用15V供電。芯片內(nèi)部的運(yùn)算放大器最高輸出電壓為10V，這也是均流母線上的最高電壓。對(duì)母線電壓的選擇要綜合考慮噪音的敏感度，均流精度和并聯(lián)的模塊數(shù)。均流母線只由主模塊驅(qū)動(dòng)，從模塊在均流母線上代表10k電阻的負(fù)載，這意味著每個(gè)模塊單元在均流母線上將以100μA/V增加主模塊芯片均流端的供電負(fù)載。為提高均流精度，檢測電阻采用精度比較高的電阻，選VCSAO為6V，因此：

RSENSE=6/(10×40)=0.015Ω

電阻RG的值依賴于NPN緩沖三極管和RADJ電阻。三極管的集電極電流應(yīng)該小于10mA，為安全使用選為5mA，較小的電流會(huì)增加對(duì)噪音的靈敏度，而過高的電流會(huì)增加三極管的損耗，在芯片內(nèi)部緩沖三極管的損耗是很重要的一部分。為此：

RG=2.6V/5mA=520Ω，實(shí)際選為510Ω。

電阻RADJ由最大電壓輸出范圍決定，

ΔVOmax=(143-120)/25=0.91V

式中：25=(Rout+Rout2)/Rout2

所以：RADJ=(0.91-10×0.015)/5mA=152Ω

實(shí)選RADJ=150Ω；

補(bǔ)償元件Cc和Rc可由均流環(huán)增益求得：

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

假設(shè)均流環(huán)的交越頻率=500(rad/sec)，此點(diǎn)處電壓環(huán)的增益為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

實(shí)際取CC=10μF。

電阻RC的值由選擇的交越頻率和電容CC決定：fO,S=1/RcCc；

由此可得，RC=200Ω。

實(shí)際用四個(gè)模塊做了并聯(lián)實(shí)驗(yàn)，它的均流精度如表1所示。由表1可知，它的半載均流精度控制在2.5％以內(nèi)。

表1 模塊均流精度

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

5結(jié)語

UC3902均流芯片應(yīng)用在電力操作電源中具有如下的特點(diǎn)：

（1）均流精度高。

（2）外圍電路設(shè)計(jì)簡單，不象UC3907那樣過于復(fù)雜。

（3）易于做熱插拔操作。