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。

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。

圖1UC3902內(nèi)部框圖

　　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。

2UC3902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：

　?。?）檢測(cè)電流放大器（CURRENTSENSEAMPLIFIRE）

　?。?）均流驅(qū)動(dòng)和均流檢測(cè)放大器（SHAREDRIVERandSENSEAMPLIFIER）

　　(3)一個(gè)跨導(dǎo)式誤差放大器（GMAMPLIFIRE）

　?。?）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(cè)放大器，其增益為40。電流檢測(cè)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(cè)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(cè)放大器檢測(cè)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(cè)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)。

圖2UC3902外圍電路圖

　　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(cè)放大器的輸出和均流檢測(cè)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(cè)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。

3UC3902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：

　?。?）VONOM即額定輸出電壓；　?。?）IOmax即最大輸出電流；

　?。?）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(cè)。電流檢測(cè)電阻RSENSE，檢測(cè)一負(fù)信號(hào)輸入到電流檢測(cè)放大器反向端。對(duì)檢測(cè)電阻的選擇基于以下兩個(gè)因素：①最大功耗；②通過檢測(cè)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(cè)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：(1)

式中電流檢測(cè)放大器的增益ACSA=40。（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：（3）

RADJ是電源檢測(cè)線正端的阻抗，它的值是ΔVOmax與IADJmax的函數(shù)，又由于檢測(cè)電阻降低了輸出電壓的調(diào)整范圍，所以：（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(yǔ)描述的是輸出電壓和檢測(cè)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=（5）

　　ACSA：電流檢測(cè)放大器增益，大小為40。

　　ASHA：均流驅(qū)動(dòng)和均流檢測(cè)放大器增益1。

　　AEA：誤差放大器的增益。

圖3兩模塊并聯(lián)時(shí)的原理圖

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。(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(cè)電阻采用精度比較高的電阻，選VCSAO為6V，因此：　　

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：，實(shí)際選為510Ω。

電阻RADJ由最大電壓輸出范圍決定，　　式中：所以：

實(shí)選RADJ=150Ω；

　　補(bǔ)償元件Cc和Rc可由均流環(huán)增益求得：　　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××40×4.5×10－3×

×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=；

　　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=100％

5結(jié)語(yǔ)

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

　?。?）均流精度高。

　?。?）外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不象UC3907那樣過于復(fù)雜。

　　（3）易于做熱插拔操作。