基于LTC4350的并聯均流技術應用研究
引 言
由于大功率電源負載需求的增加以及分布式電源系統的發展，開關電源的并聯應用技術日益重要。但是并聯運行的各個開關電源模塊特性并不一致，外特性好（電壓調整率小）的模塊可承擔更多的電流，甚至過載，從而使某些外特性較差的模塊運行于輕載狀態，甚至基本上是空載運行。其結果必然加大了分擔電流多的模塊的熱應力，從而降低了可靠性。但是并聯的開關電源在模塊間通常需要采用均流措施。它是實現大功率電源系統的關鍵，其目的在于保證模塊間電流應力和熱應力的均勻分配，防止一臺或多臺模塊運行在自身的電流極限狀態。
目前實現均流的方法有多種，而自主均流以其均流精度高，動態響應好，容易實現冗余技術等特點，而得到了廣泛的應用。自主均流法自動設定主從電源模塊，均流電路自動讓輸出電流最大的電源模塊成為主模塊，其余的電源模塊則成為從模塊。
1 LTC4350均流電路原理
如圖1所示，感應電阻Rsense兩端壓降的高低，代表了開關電源LTC1629輸出電流的大小，Rsense兩端電壓通過LTC4350內部的Isense功能塊后轉化為測量電流輸出，并在增益電阻Rgain兩端形成比較電壓。此比較電壓接在內部均流誤差放大器E/A2功能塊的反向輸入端，并與接在E/A2正向輸入端的均流母線電壓相比較，如若不相等，誤差電壓就會在內部Iout功能塊變成電流IADJ輸出，IADJ就會在Rout兩端形成壓降，從而影響LTC1629的sense輸入端電壓，這樣，開關電源穩壓器LTC1629就自動調整輸出電壓，直到整個電源系統中所有LTC4350的GAIN引腳電壓等于均流母線SB引腳的電壓時，負載電流被均勻分配了，也就達到了均流的目的。
圖1 LTC4350自主均流原理示意圖
FB引腳外接反饋分壓電阻器，并與LTC4350的內部基準電壓比較，誤差電壓經過內部誤差放大器E/A1放大之后，驅動均流母線SB，如果FB引腳電壓小于或等于基準電壓，二極管D1正向導通，E/A1輸出驅動SB，若FB引腳電壓高于基準電壓，D1截止，E/A1則與SB斷開。具有最高基準電壓的LTC4350將驅動均流母線SB以及內部與其相連的20KΩ負載電阻（每個20KΩ負載代表著一個LTC4350），使均流母線達到適當的電流值。所有其他的LTC4350的COMP1引腳為低電位，斷開與均流母線的連接。
2 LTC4350軟硬故障及熱插拔保護
電源輸出短接到地或輸出電壓異常高一般稱之為“硬故障”，這類故障需要立即將損壞的電源模塊與負載斷開。電源開路故障和負載電流分配故障一般稱之為“軟故障”，此時電源輸出電壓雖然正常，但多個電源模塊間電流分配不均。為此，需要在開關電源LTC1629和負載之間加上兩個功率MOSFET（M1 和M2 串聯，如圖1所示），在模塊出現“硬故障”和“軟故障”時，隔離故障模塊。當電源LTC1629輸出短路，Isense功能塊檢測到Rsense上的大于30mV的反向電壓并且超過5μｓ時，外部功率MOSFET柵極電壓馬上降低而使M2 開路，斷開與負載的連接，過壓保護通過0V引腳外接的電阻分壓網絡監視電源輸出電壓，一旦0V引腳電壓超過設定的1.22V閾值，則外部功率MOSFET的柵極電壓被拉低而使M1開路，斷開與負載的連接。
當電源首先作用到UCC引腳時，功率MOSFET柵極電壓被拉低，一旦UCC升高并大于設定的欠壓鎖定閾值1.244V，LTC4350的UV引腳發揮作用。如果UV引腳電壓大于1.244V，外接功率MOSFET柵極開始由10μA的電流充電，GATE 引腳電壓開始以斜率10μA/CG緩慢上升（如圖2所示），這個緩慢充電過程允許電源輸出在不受干擾的情況下平穩接入負載。而當電源斷開時，UV 引腳電壓將低于1.22V，LTC4350迅速將外接功率MOSFET柵極放電，使負載與電源之間斷開，這樣就實現了LTC4350本身的熱插拔功能。
3 熱插拔設計
圖3所示為兩塊并聯工作的電源模塊方框圖，每個電源模塊都有自己的熱插拔電路設計、開關電源以及均流電路，并聯工作的模塊間享有公共的均流母線、負載線、電源輸入線Uin以及模塊故障狀態告警線STATUS。
圖3 由兩塊電源模塊組成電源系統
任何一個電源模塊發生故障，如不及時地移除和更換，將會引起電源系統的不穩定甚至癱瘓。因此，需要故障模塊本身能自動斷開供電系統，并通過STATUS引腳向系統發出信息（如圖4所示），提示技術人員需要換上一個好的電源模塊。對于連續供電的電源系統來說，需要帶電移除和插入，當插拔電源模塊操作時，不能給整個電源系統帶來干擾，以實現熱插拔。
圖4 帶熱插拔和均流控制的開關電源模塊
本電路采用兩級熱插拔保護設計，其一是專用的熱插拔保護電路LT1641，主要控制外接的功率MOSFET管M5，如圖4所示，其通斷決定了輸入電壓Uin的通斷。其二是基于LTC4350本身的熱插拔電路。
4 實際應用電路設計
考慮到實際的惡劣應用環境，為了加強熱插拔的可靠性，在實際的應用電路設計中，有必要在每個電源模塊電路中加上專用的熱插拔控制電路LT1641。因此，本設計的每個電源模塊都由三部分組成：熱插拔控制專用集成電路LT1641；開關電源集成電路LTC1629（此電路采用同步降壓電流模式控制）；均流控制集成電路LTC4350。
實驗電源輸入Uin采用24V直流電壓，經過同步降壓開關電源LTC1629后，實際輸出Uout（負載母線電壓）為1.6V直流電壓，輸出直流電流20A。本次實驗制作了兩塊同樣的電源模塊一起工作，可以輸出高達40A的直流電流。
本次實驗只做了兩塊相同的電源模塊，圖4只是其中的一塊，和另外一塊做并聯實驗時，需要把它們的Uin、Uout、GND以及SB線分別對應連接在一起。
5 小 結
通過實驗，LTC4350很容易實現N＋1冗余，能夠及時有效地識別失效電源，并以關斷外接的串行MOSFET管的方式隔離故障電源，允許電源系統其它電源模塊正常工作的情況下，移走失效電源并插入一個新電源模塊替代。可以識別和定位輸出電壓低，輸出電壓高以及開路故障，并給出警示信號。LTC4350在服務器和網絡設備供電系統，通信和基站設備供電系統以及分布式電源系統中，可以有很好的應用。
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