直流开关电源的数字均流技术

摘　要: 为了提高电源系统的可靠性和容错能力,在分析直流开关电源模拟量控制均流技术原理及特点的基础上,提出了以双DSP 为控制核心,基于CAN 总线的数字均流技术方案,实现数字均流的智能化控制。

关键词：开关电源；数字均流；平均电流法；现场总线

引　言

电源并联运行是电源系统的发展方向之一,因为分布式供电相对集中,供电具有容量易扩充、可靠性高、使用灵活、便于维护等优点。而实现开关电源并联运行的核心就是均流技术。目前常用的均流方法主要有输出阻抗法、主从设置法、平均电流法、最大电流法等,这些均流方法多数采用的是模拟量控制。由于模拟控制是连续的信号处理,故其带宽允许范围很大。然而模拟控制也有其缺点,例如模拟控制系统需要较多的分立元件,很容易受环境的影响,从而导致其维护费用很高。设计好的模拟控制系统移植性很差,不能适应不同场合失真的优化。与传统的均流方法相比,数字控制具有可编程、受环境影响少、需要的元器件少、采用相应软件可以实现复杂控制等优点。随着采用数字控制的成本逐步降低及开关电源非线性控制理论和方法的不断完善,开关电源的数字化和数字均流技术越来越成为其发展趋势。本文就开关电源的数字均流技术进行讨论。

均流技术模拟量控制

模拟控制均流原理
　　图1 为n 个并联模块中一个模块按平均电流自动均流的控制原理图,并联各模块的电流放大器输出端(a 点) ,通过一个取样电阻R 接到均流母线上。电压放大器输入为基准电压U_r 和均流控制电压U_c的综合ΔU ,它与反馈电压比较放大后产生电压误差U_e ,控制PWM。



　　Ui为电流放大器的输出信号,它与每个模块的输出电流成正比。当n = 2 时,也就是两个模块并联运行状态下, U_i1 和U_i2 分别为模块1 和2的电流信号, 它们都经过阻值为R 的电阻接到均流母线上。当流入母线的电流为零时,

( U_i1 - U_b )PR + ( U_i2 - U_b )/R = 0 (1)

根据式(1) 可得:

U_b = ( U_i1 + Ui₂ )/2 (2)

即母线电压U_b是U_i1和U_i2的平均值,也代表了模块1 和2 的输出电流平均值。U_i 与U_b 之差代表均流误差,通过调整放大器输出得到用于调整用的电压。当U_i = U_b 时, U_c = 0 表明已经实现了均流。一旦电流分配不均,则U_i ≠U_b , U_c ≠0 ,以此来调节ΔU ,从而控制PWM,达到均流的目的。

均流技术模拟量控制的特点
(1) 可以精确地实现均流。
(2) 构成冗余系统,均流模块的数量理论上可以不限。
(3) 若出现均流母线短路或接在母线上的一个单元不工作时,母线电压下降,将使每个单元输出电压下调,甚至达到下限,以致造成故障。当某一模块的电流上升至极限时,该模块的U_i 大幅度增大,也会使其输出电压自动调节到下限。由于均流母线极易受到外界的影响,甚至取样电阻受到温度影响发生的变化也会影响均流精度。
(4) 为了使系统在动态调节过程中始终稳定工作,通常要限制最大调节范围,要将所有电压调节到电压捕捉范围以内。如果有一个模块均流线短路,则系统无法均流。单个模块限流也可能引起系统不稳定。在大系统中,系统稳定性与负载均流瞬态响应的矛盾很难解决。

均流技术数字控制

原理框图
图2 为采用双DSP (TMS320LF2407) 控制的数字均流原理框图,监控模块和各个模块都以DSP为控制核心,16 bit 定点数TMS320LF2407 数字信号处理器属于24X 系列,其CPU 时钟可达到30MHz ,包括几部分外围电路, 例如事件管理器、CAN控制器、外围串行接口和模数转换器。它非常适用于控制应用,监控单元由数据采集、数据显示和数据通信等部件组成。监控模块检测输入P输出总电压、电流及温度等参数,进行欠压、过流、温度等保护,同时检测模块个数,经过处理,设定各模块的工作方式和工作电流值或电压值,通过CAN 总线通信,进行强制均流,并且通过闭环反馈达到闭环控制目的。还可实现( n + x) 热插拔并联冗余,当某一模块故障,故障模块自动退出并发出报警,剩余模块按照总控设定的工作模式自动均分负载。


　　实现数字均流的关键技术之一是通信技术。本文采用带有CAN 控制器的TMS320LF2407。CAN 总线是专门为控制系统设计的,开放式、数字化、多点通信的控制系统局域网络是当今自动化领域中最具有应用前景的技术之一。CAN 总线支持分布式控制和适时控制的串行通信网络,其通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强而且控制简单、扩展能力强、系统成本低,完全可满足数字均流技术实时通信的目的。CAN 总线采用了OSI 参考模型的两层协议———物理层和数据链路层,本身可实现节点间无差错的数据传输,其他层的协议可根据需要自己定义。

单个模块的工作原理
　　图3 为数字开关电源原理图,每个模块都有自己单独的处理单元,在控制上采用双环控制,以电流环为内环,电压环为外环,既可恒压控制也可恒流控制。通过霍尔元件检测本身的输入P输出电流电压,然后与监控单元设定的工作电流值或电压值进行比较,并按照监控单元设定的工作模式不断调整数字PWM,达到强制均流的目的。每个模块的输出端接有单向导通二极管,即使模块发生故障也不会使模块之间产生电流环路。

单个模块的恒流控制算法和流程
实现恒流控制的算法较多,本文采用增量式PI 控制算法。该方法是将系统的离散部分看成是连续的,按连续系统的理论设计校正环节,然后将其离散化(数字化) 。

设PI 调节器的输出量为y ( t ) , 输入量为e ( t) ,调节器的比例系数为K_p ,积分时间常数为T_i ,则积分方程为






　　对式(1) 离散化后,可得( k - 1) 次和k 次采样时刻调节器的输出



式中, T_s为调节器的采样周期。

采用增量式算法,可得2 个采样时刻间的调节器输出增量为



式中　ek ———第k 次采样时,给定量与反馈量之间的偏差

　　按式(4) 编程即可实现数字化PI 调节功能,使系统获得良好的静、动态性能。其PI 调节子程序流程如图4 所示。

数字均流技术的特点
(1) 软件方式易于实现复杂的控制,可移植性好,均流精度高。

(2) 采用n + m 冗余,电源系统可靠性高,由于不存在均流母线,因此不存在由于影响均流母线而影响均流功能的问题。各个模块独立工作,互不影响。

(3) 在数字均流中,每个监控系统监控的模块数多,均流精度高且无振荡现象。

(4) 数字均流依赖监控模块,如果监控模块失效,则无法均流。另外,其瞬态响应比较差,调节时间长。


图4 　PI 调节子程序

结　语

通过对模拟量均流控制和数字均流控制的分析比较可见数字均流技术可靠性高、移植性好。内部采用智能化总线结构,可以实现均流冗余控制、故障诊断等功能,能够避免因单个模块发生故障而影响整个系统工作的现象。数字均流技术将是均流技术的发展方向。