开关电源并联系统的数字均流技术

摘要：分布式电源系统应用中，并联开关变换器模块间需要采用均流措施，它是实现大功率电源和冗余电源的关键。主要讨论了电源模块并联系统均流控制的数字化问题，提出了基于CAN总线的电源模块间实时通信方案。

关键词：开关电源；均流控制；数字化；控制器局域网

 Digital Control Scheme for Load Share in a Parallel System of SMPS

WU Guo-zhong, PAN Guan- li 

Abstract:The measure of current sharing is needed in distributed power application systems. It is the key of realizing big and redundancy power systems. The problems of digitizing the current sharing of parallel control system are discussed,and a real time communication plan between power modules based on CAN bus is brought forward.

 Keywords:SMPS; Current sharing; Digitization; CAN 

1  引言

    电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统取代集中式电源系统。这是因为分布式电源系统具有更多的优点，比如易于扩充输出功率容量、可靠性高、使电源保持高的效率和较快的动态响应、可以实现标准化设计、便于维护等。但是外特性不同的电源模块并联工作时，如果不采取一定的均流措施，每个模块的输出电流将出现分配不均的情况，外特性好的电源模块将承担更多的电流，甚至过载，从而降低了可靠性；分担电流小的模块可能处在效率不高的工作状态。因此必须采取均流措施。

    同时分布式电源系统对两个技术提出了更高的要求：

    1）并联模块间的自动均流技术；

    2）模块的智能化技术。

    电源模块的数字化能够提高其可靠性和产品一致性等工程问题，并且有利于实现智能化，是应用技术的发展方向。

2  平均电流法

    目前常用的均流方法有：输出阻抗法、主从设置法、平均电流法、最大电流法、热应力自动均流法和采用均流控制器的方法等。为了提高电源系统的可靠性和可维护性，采用的均流方法最好有如下特点：

    1）单个模块的故障不影响整个系统的正常运行；

    2）模块之间自动实现均流，无需人为的调整和设定，无需模块之外控制器的介入。

    考虑到均流算法和数字化的特点和互补性，本系统选用平均电流法。这种方法是将并联工作的每个模块电流值取平均后，将平均电流值送给每个模块。各模块都以这个平均电流值为目标自动调节自己的输出电流，从而达到均流的目的。图1画出了N个并联模块中一个模块按平均电流自动均流的控制电路原理图。并联各模块的电流放大器输出端，通过一个电阻R，接到均流母线上。如图1所示，电压放大器输入为Vr′是基准电压Vr和均流控制电压Vc的综合，它与Vf进行比较放大后，产生电压误差Ve，控制PWM及驱动器。Vi为电流放大器的输出信号，和每个模块的负载电流成正比，Vb为母线电压。当N=2时，也就是两个模块并联运行状态下，Vi1和Vi2分别为模块1和2的电流信号，都经过阻值为R的电阻接到母线b，母线电流I值计算如下：

     I=(Vi1－Vb)/R＋(Vi2－Vb)/R   (1)

图1  平均电流法自动均流控制原理图

图2  82C250的功能框图  [p]

    当母线电流I=0时，由式(1)得

     Vb=(Vi1＋Vi2)/2    （2）

    母线电压Vb是Vi1和Vi2的平均值。也代表了模块1，2的输出电流平均值。代表均流误差的Vi与Vb之差，经过调节放大器，输出调整电压Vc，Vc值可正可负。当Vb=Vi时，电阻R上的电压为零，调整电压Vc=0，实现了均流。一旦模块间的电流分配不均匀，Vb≠Vi，电阻R承受电压，此时Vr′=Vr±Vc，电路通过调整放大器改变Vr′，以达到均流目的。

    这种方法能够精确地实现均流，但是，若采用模拟方法实现时，也会有一些特殊问题，比如当均流母线发生短路，或接在母线上的任何一个模块不能工作时，均流母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至达到下限，造成故障。若采用数字方法实现，用通信的方法获得所有并联模块的平均电流值，再用这个平均电流值与模块电流值比较，比较的结果用来补偿电压基准，则可防止上述情况的出现。采用数字方式实现这种方法能够扬长避短，具有很大优越性。

3  数字均流控制的实现

    采用数字方式实现均流控制具有控制方法灵活的特点，很容易做到单个模块故障时不影响与其并联的其它模块的正常运行。而要实现模块之间的自动均流，则模块之间的数据交换是必需的功能。采用数字方式，则这种交换数据的简单形式一般就是通信。因此，模块之间的通信技术是实现数字均流的关键技术。采用何种通信方式、制订怎样的通信协议，既能够实现数据的可靠和高速交换又能使通信接口简单，便是数字均流技术首先要研究的内容。

    许多单片机（包括DSP控制器）都有内置通信模块。选用这些单片机片内的通信模块实现数据通信，无论对于增加可靠性，还是简化软硬件设计都有很大的帮助。TMS320X241DSP控制器具有较高的A/D转换速率、较小的封装，并且带有CAN模块。可作为主电路的控制核心。

    CAN属总线式串行通信网络，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于CAN具有以上一些特点，对于100ms级响应时间的均流控制来说，能够满足其实时通信的要求。通过CAN，我们能够实现并联工作的各电源模块之间的数据通信，而且硬件接口简单，图2为CAN控制器与物理总线之间的接口电路82C250的功能框图。82C250能够提供对总线的差动接收和发送功能，以实现总线上各节点间的电气隔离，最高通信速率达1Mbps。

4  CAN的协议模型和自定义的高层协议

    上面的硬件实现方案中，CAN只采用了OSI参考模型的两层协议——物理层和数据链路层，它仅实现了节点间无差错的数据传输。因此，其它层的协议需要我们自己定义。

    以下是针对开关电源并联系统的数字均流控制制订的部分高层协议：

    1）允许参加并机的模块总数不超过8个，每个模块拥有1个3位的地址编码，模块的地址编码不允许重复。

    2）每个模块都以自身的地址码作为发送数据的优先级。

    3）模块向外发送数据帧时，应包含自身的地址码信息。

    4）所有的数据都以广播形式向总线发送，同时回收自己发送的数据，若发现发送和回收的数据不符，则立即重发。

    5）对每个模块而言，上电后1s内若未接收到任何通信信息，则在1s计时结束后，延时发送自身的地址码及电流采样值（可能为零）。这个延时发送时间（tdelay）的计算公式为

          tdelay=T1×MADDR      （3）

式中：T1为单位延时时间常数，该值可以根据通信速率合理定义；

      MADDR为模块自身地址编码。

    6）从模块上电后第一次接收到通信信息（可能为自身发送的信息）起，每隔40ms向外发送自身地址码和电流采样值。如发生冲突，CAN会根据每个模块信息的优先级自动调整发送顺序。由于每个模块发送信息的优先级都不相同，因此它们会自动按一定的次序发送出去。

    7）每个模块在自身发送信息10ms之后，计算出并联工作的模块总数，并求出所有采样电流的平均值，通知模块的控制环节。由于CAN高速的通信能力和极低的出错率，10ms之内所有的模块都能将电流采样值发送出去让每个模块接收到。

    8）模块检测到自身出现故障时，应及时切断输出，并退出通信。

    结合上面制订的高层的通信协议和平均电流均流算法，模块之间传输数据类型和数量，模块内部对这些数据的处理方法都可以得到解决。

5  结语

    平均电流法可实现精确的均流控制，上述数字均流技术已成功地应用在开关电源并联系统中。实践表明，在满足输出电压要求的同时也达到了很好的均流精度，提高了电源系统的可靠性和容错能力。采用数字方法实现均流能够避免模块发生故障时影响整个系统工作的现象，扬长避短，具有很大的优势。