基于LTC4350的并联均流技术应用研究
引 言
由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展，开关电源的并联应用技术日益重要。但是并联运行的各个开关电源模块特性并不一致，外特性好（电压调整率小）的模块可承担更多的电流，甚至过载，从而使某些外特性较差的模块运行于轻载状态，甚至基本上是空载运行。其结果必然加大了分担电流多的模块的热应力，从而降低了可靠性。但是并联的开关电源在模块间通常需要采用均流措施。它是实现大功率电源系统的关键，其目的在于保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台模块运行在自身的电流极限状态。
目前实现均流的方法有多种，而自主均流以其均流精度高，动态响应好，容易实现冗余技术等特点，而得到了广泛的应用。自主均流法自动设定主从电源模块，均流电路自动让输出电流最大的电源模块成为主模块，其余的电源模块则成为从模块。
1 ltc4350均流电路原理
如图1所示，感应电阻rsense两端压降的高低，代表了开关电源ltc1629输出电流的大小，rsense两端电压通过ltc4350内部的isense功能块后转化为测量电流输出，并在增益电阻rgain两端形成比较电压。此比较电压接在内部均流误差放大器e/a2功能块的反向输入端，并与接在e/a2正向输入端的均流母线电压相比较，如若不相等，误差电压就会在内部iout功能块变成电流iadj输出，iadj就会在rout两端形成压降，从而影响ltc1629的sense输入端电压，这样，开关电源稳压器ltc1629就自动调整输出电压，直到整个电源系统中所有ltc4350的gain引脚电压等于均流母线sb引脚的电压时，负载电流被均匀分配了，也就达到了均流的目的。
图1 ltc4350自主均流原理示意图
fb引脚外接反馈分压电阻器，并与ltc4350的内部基准电压比较，误差电压经过内部误差放大器e/a1放大之后，驱动均流母线sb，如果fb引脚电压小于或等于基准电压，二极管d1正向导通，e/a1输出驱动sb，若fb引脚电压高于基准电压，d1截止，e/a1则与sb断开。具有最高基准电压的ltc4350将驱动均流母线sb以及内部与其相连的20kω负载电阻（每个20kω负载代表着一个ltc4350），使均流母线达到适当的电流值。所有其他的ltc4350的comp1引脚为低电位，断开与均流母线的连接。
2 ltc4350软硬故障及热插拔保护
电源输出短接到地或输出电压异常高一般称之为“硬故障”，这类故障需要立即将损坏的电源模块与负载断开。电源开路故障和负载电流分配故障一般称之为“软故障”，此时电源输出电压虽然正常，但多个电源模块间电流分配不均。为此，需要在开关电源ltc1629和负载之间加上两个功率mosfet（m1 和m2 串联，如图1所示），在模块出现“硬故障”和“软故障”时，隔离故障模块。当电源ltc1629输出短路，isense功能块检测到rsense上的大于30mv的反向电压并且超过5μｓ时，外部功率mosfet栅极电压马上降低而使m2 开路，断开与负载的连接，过压保护通过0v引脚外接的电阻分压网络监视电源输出电压，一旦0v引脚电压超过设定的1.22v阈值，则外部功率mosfet的栅极电压被拉低而使m1开路，断开与负载的连接。
当电源首先作用到ucc引脚时，功率mosfet栅极电压被拉低，一旦ucc升高并大于设定的欠压锁定阈值1.244v，ltc4350的uv引脚发挥作用。如果uv引脚电压大于1.244v，外接功率mosfet栅极开始由10μa的电流充电，gate 引脚电压开始以斜率10μa/cg缓慢上升（如图2所示），这个缓慢充电过程允许电源输出在不受干扰的情况下平稳接入负载。而当电源断开时，uv 引脚电压将低于1.22v，ltc4350迅速将外接功率mosfet栅极放电，使负载与电源之间断开，这样就实现了ltc4350本身的热插拔功能。
图2 接通电源时gate引脚电压
3 热插拔设计
图3所示为两块并联工作的电源模块方框图，每个电源模块都有自己的热插拔电路设计、开关电源以及均流电路，并联工作的模块间享有公共的均流母线、负载线、电源输入线uin以及模块故障状态告警线status。
图3 由两块电源模块组成电源系统
任何一个电源模块发生故障，如不及时地移除和更换，将会引起电源系统的不稳定甚至瘫痪。因此，需要故障模块本身能自动断开供电系统，并通过status引脚向系统发出信息（如图4所示），提示技术人员需要换上一个好的电源模块。对于连续供电的电源系统来说，需要带电移除和插入，当插拔电源模块操作时，不能给整个电源系统带来干扰，以实现热插拔。
图4 带热插拔和均流控制的开关电源模块
本电路采用两级热插拔保护设计，其一是专用的热插拔保护电路lt1641，主要控制外接的功率mosfet管m5，如图4所示，其通断决定了输入电压uin的通断。其二是基于ltc4350本身的热插拔电路。
4 实际应用电路设计
考虑到实际的恶劣应用环境，为了加强热插拔的可靠性，在实际的应用电路设计中，有必要在每个电源模块电路中加上专用的热插拔控制电路lt1641。因此，本设计的每个电源模块都由三部分组成：热插拔控制专用集成电路lt1641；开关电源集成电路ltc1629（此电路采用同步降压电流模式控制）；均流控制集成电路ltc4350。
实验电源输入uin采用24v直流电压，经过同步降压开关电源ltc1629后，实际输出uout（负载母线电压）为1.6v直流电压，输出直流电流20a。本次实验制作了两块同样的电源模块一起工作，可以输出高达40a的直流电流。
本次实验只做了两块相同的电源模块，图4只是其中的一块，和另外一块做并联实验时，需要把它们的uin、uout、gnd以及sb线分别对应连接在一起。
5 小 结
通过实验，ltc4350很容易实现n＋1冗余，能够及时有效地识别失效电源，并以关断外接的串行mosfet管的方式隔离故障电源，允许电源系统其它电源模块正常工作的情况下，移走失效电源并插入一个新电源模块替代。可以识别和定位输出电压低，输出电压高以及开路故障，并给出警示信号。ltc4350在服务器和网络设备供电系统，通信和基站设备供电系统以及分布式电源系统中，可以有很好的应用。
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目前实现均流的方法有多种，而自主均流以其均流精度高，动态响应好，容易实现冗余技术等特点，而得到了广泛的应用。自主均流法自动设定主从电源模块，均流电路自动让输出电流最大的电源模块成为主模块，其余的电源模块则成为从模块。
1 ltc4350均流电路原理
如图1所示，感应电阻rsense两端压降的高低，代表了开关电源ltc1629输出电流的大小，rsense两端电压通过ltc4350内部的isense功能块后转化为测量电流输出，并在增益电阻rgain两端形成比较电压。此比较电压接在内部均流误差放大器e/a2功能块的反向输入端，并与接在e/a2正向输入端的均流母线电压相比较，如若不相等，误差电压就会在内部iout功能块变成电流iadj输出，iadj就会在rout两端形成压降，从而影响ltc1629的sense输入端电压，这样，开关电源稳压器ltc1629就自动调整输出电压，直到整个电源系统中所有ltc4350的gain引脚电压等于均流母线sb引脚的电压时，负载电流被均匀分配了，也就达到了均流的目的。
图1 ltc4350自主均流原理示意图
fb引脚外接反馈分压电阻器，并与ltc4350的内部基准电压比较，误差电压经过内部误差放大器e/a1放大之后，驱动均流母线sb，如果fb引脚电压小于或等于基准电压，二极管d1正向导通，e/a1输出驱动sb，若fb引脚电压高于基准电压，d1截止，e/a1则与sb断开。具有最高基准电压的ltc4350将驱动均流母线sb以及内部与其相连的20kω负载电阻（每个20kω负载代表着一个ltc4350），使均流母线达到适当的电流值。所有其他的ltc4350的comp1引脚为低电位，断开与均流母线的连接。
2 ltc4350软硬故障及热插拔保护
电源输出短接到地或输出电压异常高一般称之为“硬故障”，这类故障需要立即将损坏的电源模块与负载断开。电源开路故障和负载电流分配故障一般称之为“软故障”，此时电源输出电压虽然正常，但多个电源模块间电流分配不均。为此，需要在开关电源ltc1629和负载之间加上两个功率mosfet（m1 和m2 串联，如图1所示），在模块出现“硬故障”和“软故障”时，隔离故障模块。当电源ltc1629输出短路，isense功能块检测到rsense上的大于30mv的反向电压并且超过5μｓ时，外部功率mosfet栅极电压马上降低而使m2 开路，断开与负载的连接，过压保护通过0v引脚外接的电阻分压网络监视电源输出电压，一旦0v引脚电压超过设定的1.22v阈值，则外部功率mosfet的栅极电压被拉低而使m1开路，断开与负载的连接。
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