電源并聯(lián)：電源簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方面，并聯(lián)電源的能力也利于某個(gè)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(jiǎn)化采購，增加單一電源的用量并簡(jiǎn)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(chǎng)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(shí)使用并聯(lián)電源可能是一種“保險(xiǎn)”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(jì)導(dǎo)入風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。最后，如果一個(gè)高功率單元在一個(gè)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(shí)，也帶來了一個(gè)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(jì)、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(jiǎn)單的方法是簡(jiǎn)單地將其輸出連接在一起。一般來說，這行不通，因?yàn)槊總€(gè)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(shí)仍然保證這個(gè)調(diào)節(jié)，而且在調(diào)節(jié)時(shí)還需要避開其他電源閉合回路的影響。

對(duì)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(gè)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(huì)引起一個(gè)電源——那個(gè)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(huì)帶載。

在這種情況下，當(dāng)負(fù)載超過了這個(gè)“領(lǐng)先”電源（承擔(dān)最大負(fù)載）的帶載能力時(shí)，它可能會(huì)進(jìn)入一種恒流極限模式（這可能會(huì)也可能不會(huì)是一個(gè)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(gè)被討論的電源，這些響應(yīng)可能會(huì)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(shí)。此外，對(duì)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(gè)負(fù)載，并將同樣關(guān)閉。這將很快導(dǎo)致整個(gè)電源軌的崩潰。

如果一個(gè)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(qǐng)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(gè)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(qǐng)注意，使用這兩種方式意味著多個(gè)電源不再完全相同，從而削弱了并聯(lián)配置的某些優(yōu)勢(shì)。

如果電源是專為支持這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者如果有一個(gè)控制回路誤差放大器可以反饋誤差信號(hào)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(duì)于從主到從的控制信號(hào)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(gè)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(shí)，如圖1所示。鎮(zhèn)流電阻器會(huì)對(duì)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(huì)散發(fā)熱量，降低系統(tǒng)效率。

圖1：一種均流方法是在每個(gè)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(gè)“OR”那個(gè)？

針對(duì)直連困擾的看似“簡(jiǎn)單”的一個(gè)解決方案是只在每個(gè)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(duì)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(huì)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(gè)直流電源輸出來隔離一個(gè)電源與另一個(gè)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(duì)于其輸出可以同時(shí)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(duì)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(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)，并可能立即導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)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(huì)促使陣列中的電流錯(cuò)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(gè)方法，但由于二極管正向壓降，效率將會(huì)降低，并且有源ORing會(huì)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(jí)的可靠性。感興趣的主要情況是其中的一個(gè)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(huì)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(duì)并聯(lián)工作來設(shè)計(jì)。我們必須全面考慮啟動(dòng)同步、故障保護(hù)協(xié)調(diào)，以及控制回路的穩(wěn)定性。

對(duì)于一個(gè)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(duì)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(gè)由誤差放大器控制的公共控制信號(hào)輸入將它們組合在一起。這個(gè)誤差放大器可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，然后其單反饋信號(hào)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(gè)誤差放大器和單線控制母線可能會(huì)產(chǎn)生單點(diǎn)失效，這對(duì)某些類型的高可靠性系統(tǒng)可能是個(gè)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(duì)于單控制回路的方法，如果電源對(duì)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(gè)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(duì)輸出誤差進(jìn)行校準(zhǔn)（這種方法昂貴），或者在陣列中每個(gè)電源附近增加電流控制環(huán)來消除該誤差（這會(huì)增加復(fù)雜性和器件）。這些本地回路的電流檢測(cè)通常需要對(duì)電源增加分流電阻。

對(duì)于控制節(jié)點(diǎn)是參考初級(jí)側(cè)的隔離DC-DC電源來說，會(huì)出現(xiàn)第二種障礙：初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)隔離邊界的誤差放大器輸出信號(hào)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(huì)增加成本，占用寶貴的空間，而且會(huì)對(duì)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(gè)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(huì)對(duì)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(duì)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(gè)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€(gè)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(jì)可以簡(jiǎn)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(duì)并聯(lián)挑戰(zhàn)。例如，采用轉(zhuǎn)換器級(jí)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(gè)關(guān)鍵特性。

圖3：采用ChiP封裝的Vicor的DCM適用于通過簡(jiǎn)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(gè)區(qū)別涉及動(dòng)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(shí)變化都會(huì)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(shí)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(jì)計(jì)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(gè)大電容。當(dāng)查閱數(shù)據(jù)表圖片時(shí)，所看到的電源對(duì)階躍負(fù)載的響應(yīng)就是由于這個(gè)RC時(shí)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(gè)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(dòng)狀態(tài)。如果所有的DCM對(duì)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(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換器使用；此外，如負(fù)載線所示，如果陣列相對(duì)最大負(fù)載為N+1冗余，不管任何單個(gè)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(gè)電源的加載比其他電源多，相對(duì)于其他電源其溫度會(huì)上升，這反過來會(huì)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(gè)3A低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，它支持在每個(gè)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(gè)電源的閉環(huán)電源調(diào)節(jié)。