謝記華，張錦鵬，王金芳

（洛陽電光設(shè)備研究所 河南 洛陽 471009）

近年來，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，低電壓大電流電路使用越來越廣泛，成為未來電源行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。低電壓大電流工作有利于降低開關(guān)管上的整體功耗，有利于提高工作電路的整體功率從而可以大大提高電子設(shè)備的可靠性[1]。

但是，由于輸出電壓較低、傳輸線上輸出電流較大，會導(dǎo)致傳輸線上的壓降較大，這樣就使得輸出電壓相同情況下輸出電流越大則從電源的輸出端到負(fù)載點(diǎn)的壓降就越大。壓降過大可能會導(dǎo)致后端的用電設(shè)備不能正常工作。因此，直流電源輸出電壓的負(fù)載穩(wěn)定度（輸出負(fù)載點(diǎn)電壓在輸出從空載到額定電流輸出時(shí)隨著輸出電流的變化而引起的電壓變化率）是考核低壓大電流直流電源的一個(gè)重要指標(biāo)。盡管目前的大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器都具有遙感端（+S、-S），但能補(bǔ)償?shù)碾妷悍秶苡邢?，一般?.5 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足輸出為大電流且遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)負(fù)載線上的線壓降。本文介紹一種基于VICOR DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輸入為220 VAC 50 Hz，輸出為5 V 600 A的直流電源的電壓補(bǔ)償技術(shù)。通過本文設(shè)計(jì)的電路，可以實(shí)現(xiàn)5 V 600 A負(fù)載電流遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)在空載和額定負(fù)載情況下負(fù)載點(diǎn)電壓值之差不高于20 mV的要求，使負(fù)載點(diǎn)電壓和DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓補(bǔ)償最大可以達(dá)到3 V。

1 原理圖

該補(bǔ)償電路的原理圖如圖1所示，圖中SC為DC-DC轉(zhuǎn)換器的SC管腳，-S為DC-DC轉(zhuǎn)換器的-S管腳。

圖1 控制電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of control circuit

2 元器件選擇與介紹

2.1 差分運(yùn)放

圖1中N2為差分運(yùn)放。差分運(yùn)放的內(nèi)部原理圖如圖2所示。其輸出電壓V o=V in+-V in-[2]。由于本電源采用5 V輸出電源本身供電，但采樣的負(fù)載點(diǎn)電壓信號是以-S為參考電壓地，且輸出負(fù)載點(diǎn)的參考電壓（即電壓采樣信號地）與-S由于電壓降的問題而不是一個(gè)電位。采用差分運(yùn)放的情況下，可以采用負(fù)載點(diǎn)的電壓后，通過差分運(yùn)放輸出后，差分運(yùn)放的輸出電壓以-S為參考電壓。很好地解決了參考地不一致的問題。

圖2 N2內(nèi)部原理圖Fig.2 Internal schematic diagram of N2

2.2 DC-DC轉(zhuǎn)換器介紹

本文介紹的DC-DC轉(zhuǎn)換器為VICOR第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器V300A系列。VICOR DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊采用低噪聲的零電流及零電壓開關(guān)架構(gòu)，以及半導(dǎo)體功率組件封裝，降低了溫升，提高了功率密度。零電流及零電壓開關(guān)是Vicor模塊的核心技術(shù)，由于采用了這種技術(shù)，Vicor變換器的工作頻率可超過1MHz，功率密度相比第一代增加了三倍。內(nèi)部電路系統(tǒng)全都灌膠密封，適合惡劣環(huán)境應(yīng)用[3]。

本電路利用VICOR DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的電壓調(diào)節(jié)功能，通過負(fù)反饋控制電路，自動(dòng)控制電源的輸出電壓，使采樣端的電壓穩(wěn)定在一定值。

DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊專門設(shè)置了電壓調(diào)節(jié)管腳SC，遙感端+S、-S。SC與-S之間的電壓（以下稱為Vsc）為基準(zhǔn)電壓，內(nèi)部電路如圖3所示。

圖3 DC-DC轉(zhuǎn)換器調(diào)壓內(nèi)部電路Fig.3 The internal regulator circuit of DC-DCconverter

如果輸出電壓不需要調(diào)節(jié)，則SC與-S之間處于懸空狀態(tài)，此時(shí)V sc為1.23 V，對應(yīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為DC-DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱值輸出電壓V b。DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V out與V sc成正比例關(guān)系變化，即V out=×V b。

當(dāng)引腳SC與-S之間串入電阻R（單位kΩ）時(shí)，V sc電壓為V sc=×1.23，即V sc降低，輸出電壓V out相應(yīng)降低，所以SC與-S之間接入的電阻叫下調(diào)電阻；若通過外部電壓和模塊內(nèi)部的SC腳電路組成分壓系統(tǒng)，升高SC腳電壓V sc，即可升高輸出電壓V out[4]。

由此可以看出，通過調(diào)節(jié)SC腳電壓V sc，即可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓V out。

同時(shí)，輸出電壓補(bǔ)償?shù)姆秶⒉皇菬o限的，電源的最高輸出電壓不能超過選定DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的上調(diào)范圍。例如：在負(fù)載點(diǎn)想得到一定的輸出電壓V out，如果選擇標(biāo)稱輸出V b的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，那么電路所能補(bǔ)償?shù)淖畲髩航禐閂 b×1.1-V out，如果已知回路的傳輸壓降大于該差值，那么，負(fù)載點(diǎn)電壓就不能穩(wěn)定在V out。此時(shí)，就需要選擇標(biāo)稱輸出V b更高的DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊。

2.3 電壓基準(zhǔn)

圖1中V2為電壓基準(zhǔn)，也叫可編程精密參考，一般做參考電壓或精密輔助電源使用。是一種三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管?？梢匀缤蜏囟认禂?shù)穩(wěn)壓管一樣使用，可以通過兩個(gè)外部電阻實(shí)現(xiàn)從VR～36 V的電壓輸出。其等效電路圖如圖4所示。在本文中主要是將參考電壓VR作為參考電壓使用。

圖4 TL431等效電路圖Fig.4 The equivalent circuit of TL431

2.4 元器件的選擇

圖1 中器件參數(shù)如表1所示。

表1 控制電路器件參數(shù)Tab.1 The device parameters of control circuit

電阻R3、R4及 RP1的確定：假設(shè)采樣電壓為 VOUT，運(yùn)放供電電壓為Vo。

電阻 R3、R4及 RP1的選取原則是： 通過 R3、R4及 RP1分壓后，VOUT-VRP1+R3

電阻R1、R5的確定：R1與光耦V1的工作電流有關(guān)，起限流作用；電阻R5與V2的最小工作電流有關(guān)，TL431的K點(diǎn)電壓為VK=2.5 V，最小工作電流為1 mA，運(yùn)放N1的供電電壓 V cc 為 5 V，即（V cc-VK）/R2≥1 mA[5]。

在圖1中，電路的運(yùn)放大器可直接采用電源輸出供電；若輸出電壓過高或過低，負(fù)反饋控制電路部分需要外加輔助源供電，輔助源電壓根據(jù)運(yùn)算放大器的工作電壓確定[6]。

3 工作原理

圖1中，由于輸出電流較大，則輸出負(fù)載點(diǎn)的地和DCDC轉(zhuǎn)換器的輸出端的地必定不是一個(gè)電位。N2為差分運(yùn)放，該器件在此處的應(yīng)用可以很好的解決這個(gè)問題。 圖中，電壓采樣信號接到需要穩(wěn)壓的負(fù)載點(diǎn)。差分運(yùn)放6腳的輸出電壓等于差分運(yùn)放的3腳和2腳的電壓差，該電壓可以實(shí)時(shí)線性的反映輸出負(fù)載點(diǎn)的電壓值。N2的6腳輸出的電壓和TL431產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓2.5 V進(jìn)行比較，以此控制運(yùn)算放大器N1的輸出電壓在高、低之間變換。采樣輸出電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，N1輸出低電平，光耦V1截止，相當(dāng)于在模塊的SC與-S直接加了一個(gè)阻值很大的下調(diào)電阻，則輸出電壓相當(dāng)于進(jìn)行的較小幅度的下調(diào)。

當(dāng)采樣輸出電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，N1輸出高電平，光耦V1導(dǎo)通，相當(dāng)于給VICOR模塊提供一個(gè)很小的下調(diào)電阻，使輸出電壓進(jìn)行較大幅度的下調(diào)。

如此往復(fù)，通過調(diào)節(jié)光耦V1的導(dǎo)通程度調(diào)節(jié)SC腳電壓V sc，相應(yīng)調(diào)節(jié)電源輸出電壓，使電源處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，即可達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

4 測試數(shù)據(jù)

通過具體電路對電壓補(bǔ)償電路的作用和效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)條件如下：

輸入電壓：220VAC±10%50 Hz；

輸出電壓及電流：5VDC 600 A；

負(fù)載穩(wěn)定度：≤1%；

試驗(yàn)中均采用1.5 m長輸出電纜，線徑滿足輸出電流要求。

分別對不加補(bǔ)償電路和增加補(bǔ)償電路的負(fù)載點(diǎn)電壓進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

通過表2、表3數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，不加補(bǔ)償電路時(shí)負(fù)載點(diǎn)電壓壓降很大，約1.4 V左右，負(fù)載穩(wěn)定度較差，不能滿足實(shí)際使用要求。而增加補(bǔ)償電路后，大大降低了負(fù)載點(diǎn)壓降，將負(fù)載穩(wěn)定度提高至0.1%。完全滿足電路較高的負(fù)載穩(wěn)定度要求，尤其在低壓大電流輸出的電路中具有較高實(shí)用意義。

表3 加補(bǔ)償電路時(shí)負(fù)載點(diǎn)電壓測試數(shù)據(jù)Tab.3 The test data of load point voltage with compensation circuit

5 結(jié) 論

通過理論分析和試驗(yàn)測試可以看出，該輸出電壓補(bǔ)償電路在低壓大電流傳輸時(shí)，可以起到非常好的補(bǔ)償效果。不僅可以提高電源的效率，而且可以大大提高電源的可靠性。

[1]張冰，邱進(jìn)，何研.一種低壓大電流電源的研制 [J].通信電源技術(shù)，2009，26（1）：27-29.ZHANG Bing，QIU Jin，HE Yan.Development of a kind of low-voltage and high-current dc power supply[J].Communication Power Supply Technology，2009，26（1）:27-29.

[2]沙占友.開關(guān)電源外圍元器件選擇與檢測[M].北京：中國電力出版社，2014.

[3]徐海明.現(xiàn)代電源應(yīng)用技術(shù)手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.

[4]孫肖子.電子線路基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版，2009.

[5]江曉安.模擬電子技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版，2008.

[6]陳治明.電力電子器件基礎(chǔ) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.