UC3902均流芯片的應用

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用。UC3902芯片的問(wèn)世，加速了這一技術(shù)的推廣，并已成功地應用于電力操作電源。

關(guān)鍵詞：UC3902 自主均流法

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(zhù)一些缺陷：如輸出阻抗法的均流精度太低；主從設置法和平均電流法都無(wú)法實(shí)現冗余技術(shù)，使并聯(lián)電源模塊系統的可靠性得不到很好的保證；而自主均流法依據特有的性能，如：“均流精度高，動(dòng)態(tài)響應好，可以實(shí)現冗余技術(shù)等”，越來(lái)越受到廣大產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員的青睞。

針對自主均流法的特點(diǎn)，UC公司開(kāi)發(fā)出了集成芯片UC3902，其外形為八個(gè)管腳，管腳編號及功能如圖1所示。電流最大的模塊被自動(dòng)確定為主模塊，主模塊驅使均流母線(xiàn)電壓與它的輸出電流成比例。從模塊以均流母線(xiàn)電壓為基準，達到每個(gè)模塊均分電流的目的。

2 UC3902內部框圖介紹

UC3902集成芯片通過(guò)精確地調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)獨特的有利條件是它使用了差模均載母線(xiàn)，這種結構大大增強了系統對噪音的抑制能力。圖1是它的內部框圖，由以下幾個(gè)部分組成：

（1）檢測電流放大器（CURRENTSENSEAMPLIFIRE）

（2）均流驅動(dòng)和均流檢測放大器（SHAREDRIVERandSENSEAMPLIFIER）

(3)一個(gè)跨導式誤差放大器（GMAMPLIFIRE）

（4）緩沖級調整放大器（ADJOUTPUTAMPLIFIER）

（5）輔助工作電路，用以提供內部偏置和芯片內部的參考

電流檢測放大器，其增益為40。電流檢測放大器的輸出是與電源模塊的輸出電流成正比，且作為輸入信號提供給均流驅動(dòng)放大器的正向輸入端和誤差放大器的反向輸入端。因為均流驅動(dòng)放大器為單位增益，所以均流驅動(dòng)放大器的輸出電壓等于電流檢測放大器的輸出電壓。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(chēng)為主模塊，主模塊均流驅動(dòng)放大器的輸出決定了均流母線(xiàn)的電壓。比均流母線(xiàn)電壓低的模塊稱(chēng)為從模塊，從模塊控制器的均流驅動(dòng)放大器的輸出是不與均流母線(xiàn)相通的，這是因為被串聯(lián)在均流驅動(dòng)放大器輸出的二極管隔離了。

均流檢測放大器檢測差模均流母線(xiàn)上的電壓，并把輸出信號作為誤差放大器的正向輸入端，跟均流驅動(dòng)放大器一樣，增益也為1。因此均流檢測放大器的輸出電壓與主模塊的輸出電流相對應，也就是和均流母線(xiàn)上的電壓相對應。

UC3902的誤差放大器應用了跨導放大。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確的。而跨導放大器把反饋網(wǎng)絡(luò )連接在誤差放大器的輸出與地線(xiàn)之間，這樣把電流信號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，相應的跨導被定義為A/V，乘以帶有補償網(wǎng)絡(luò )阻抗的跨導GM，就轉化為V/V。

誤差放大器穩定狀態(tài)的輸出電壓是電流檢測放大器的輸出和均流檢測放大器輸出的電壓差的函數，當工作在主模塊狀態(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。這種人為的補償是為了增加主從模塊之間轉換的裕度，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)電源模塊電流檢測放大器的輸出和均流母線(xiàn)電位之差成比例的。

誤差放大器的輸出電壓是用來(lái)調整變換器模塊的輸出電壓，以平衡所有并聯(lián)模塊的負載電流，這是通過(guò)一調整放大器和緩沖三極管NPN來(lái)實(shí)現的。調整放大器輸出的誤差信號去驅動(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(guò)IADJ改變RADJ上的電壓來(lái)調節模塊的輸出電壓，從而實(shí)現模塊間的均流。

3 UC3902外圍電路的設計

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算之前，模塊變換器中的三個(gè)參數必須知道：

（1）VONOM即額定輸出電壓；

（2）IOmax即最大輸出電流；

（3）ΔVOmax最大輸出電壓調節范圍。

模塊之間為了精確均流，每個(gè)模塊輸出電流必須被檢測。電流檢測電阻RSENSE，檢測一負信號輸入到電流檢測放大器反向端。對檢測電阻的選擇基于以下兩個(gè)因素：①最大功耗；②通過(guò)檢測電阻的最大壓降。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部對信號的限制相對應，很重要的一點(diǎn)是防止電流檢測放大器的飽和，放大器輸出的最高電壓VCSAO是VCC的函數，根據芯片提供的資料和實(shí)際調試的經(jīng)驗，取5V～10V為宜，相應可得：

VSENSEmax=VCSAO/ACSA (1)

式中電流檢測放大器的增益ACSA=40。

RSENSE=VSENSEmax/IOmax （2）

IADJmax，根據經(jīng)驗應工作在5mA～10mA之間，因為較低一點(diǎn)的值可能引起系統對噪音的敏感，但不能超過(guò)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A(yíng)DJR管腳與地之間的電阻RG來(lái)決定，這樣：

RG=2.6V/IADJmax （3）

RADJ是電源檢測線(xiàn)正端的阻抗，它的值是ΔVOmax與IADJmax的函數，又由于檢測電阻降低了輸出電壓的調整范圍，所以：

RADJ=(ΔVOmax·RSENSE)/IADJmax （4）

所有并聯(lián)單元的均流環(huán)是負反饋控制環(huán)，為了可靠地工作，負反饋控制環(huán)必須服從穩定性原則。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，對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行分析：

APWR：電壓環(huán)的傳遞函數。

AVo→Vis：這個(gè)增益術(shù)語(yǔ)描述的是輸出電壓和檢測電阻上的電壓之間的關(guān)系，它隨著(zhù)負載阻抗的變化而變化：

AVo→Vis=RSENSE/RLOAD （5）

ACSA：電流檢測放大器增益，大小為40。

ASHA：均流驅動(dòng)和均流檢測放大器增益1。

AEA：誤差放大器的增益。

AEA=GM·XCOMP （6）

式中GM為跨導，XCOMP為復頻函數補償器件的阻抗。

AADJ：調節電路增益。

AADJ=(RADJ/RG)·(Rout1/Rout2) (7)

所以均流環(huán)增益：

ASH=APWRAVo→VisACSAASHAAEAAADJ (8)

4 實(shí)驗參數的確定和結果分析

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。芯片內部的運算放大器最高輸出電壓為10V，這也是均流母線(xiàn)上的最高電壓。對母線(xiàn)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。均流母線(xiàn)只由主模塊驅動(dòng)，從模塊在均流母線(xiàn)上代表10k電阻的負載，這意味著(zhù)每個(gè)模塊單元在均流母線(xiàn)上將以100μA/V增加主模塊芯片均流端的供電負載。為提高均流精度，檢測電阻采用精度比較高的電阻，選VCSAO為6V，因此：

RSENSE=6/(10×40)=0.015Ω

電阻RG的值依賴(lài)于NPN緩沖三極管和RADJ電阻。三極管的集電極電流應該小于10mA，為安全使用選為5mA，較小的電流會(huì )增加對噪音的靈敏度，而過(guò)高的電流會(huì )增加三極管的損耗，在芯片內部緩沖三極管的損耗是很重要的一部分。為此：

RG=2.6V/5mA=520Ω，實(shí)際選為510Ω。

電阻RADJ由最大電壓輸出范圍決定，

ΔVOmax=(143-120)/25=0.91V

式中：25=(Rout+Rout2)/Rout2

所以：RADJ=(0.91-10×0.015)/5mA=152Ω

實(shí)選RADJ=150Ω；

補償元件Cc和Rc可由均流環(huán)增益求得：

ASH=APWR×(RSENSE/RLOAD)×40×GM×(1/sCc+Rc)×(RADJ/RG)×24

假設均流環(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×(0.015/14.3)×40×4.5×10 -3×(1/2π×10 3×(150/510)×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=1/RcCc；

由此可得，RC=200Ω。

實(shí)際用四個(gè)模塊做了并聯(lián)實(shí)驗，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?xún)取?br>
表1 模塊均流精度

表中：IERROR=IOmax－IOmin；均流精度=(IERROR/IAVG)·100％

5結語(yǔ)

UC3902均流芯片應用在電力操作電源中具有如下的特點(diǎn)：

（1）均流精度高。

（2）外圍電路設計簡(jiǎn)單，不象UC3907那樣過(guò)于復雜。

（3）易于做熱插拔操作。