航天科工慣性技術有限公司 張福亮 趙振江

引言

近年來，為系統(tǒng)提供電能的所有裝置作為一個統(tǒng)一的對象來研究又提出了電源系統(tǒng)的概念，即用于產生系統(tǒng)設備所需各種電源的裝置的總稱。電源系統(tǒng)主要由一次電源、二次電源、電能分配裝置、電源保護裝置及電源控制裝置等共同構成。電源系統(tǒng)的提出，將原系統(tǒng)二次電源的概念擴展為“大電源”的概念，將電源的研究內容擴展到能量變換、能量分配、供電的適應性等范圍。

新型的分布式直流電源已經得到行業(yè)發(fā)展的共識。分布式供電電源概念取自48V通信電源的應用，近來，分布式電源又有了多種擴展方式，美國電源公司VICOR提出了VI-BRICK模式分布式電源，SynQor提出了BUCK穩(wěn)壓和交錯并聯推挽相結合的兩級分布式供電方式。

因此，對分布式供電方式在集中供電系統(tǒng)中的應用進行研究，不僅可解決存在一些問題，同時分布式供電的方式可較好地適應電源系統(tǒng)這個概念，加強對能量分配、能量控制等方面的技術水平。

1.分布式供電

1.1 分布供電方式

該供電方式采用數字控制技術與模擬技術相結合的方式，既具有數字控制的靈活性，又式兼有模擬控制特有的動態(tài)特性，如圖4所示。

圖1 分布式供電方式組成框圖

如圖2所示，該電源結構框圖主要包括四部分，分別為預穩(wěn)壓電路單元、功率分組電路單元、數字化控制單元、負載端穩(wěn)壓電路單元。

預穩(wěn)壓電路單元將一定范圍內的輸入電壓穩(wěn)定在比較精確的某一定設定值，作為后級功率分組電路單元的輸入總線。

功率分組電路單元按照負載對供電特性的需求，將總線恒定電壓進行隔離分組，實現比較穩(wěn)定的電壓輸出。

控制單元采用全數字化設計，利用電源專用的高速DSP對預穩(wěn)壓電路以及功率分組電路進行輸出采樣并閉環(huán)控制，同時通過信號線控制負載端穩(wěn)壓電路單元的啟動時序。

負載端穩(wěn)壓電路單元將功率分組單元輸出的隔離電壓進行精確穩(wěn)壓，提供給負載電路板使用。由于該電路單元放在負載電路板上，可以提供給負載更好的電源特性。

1.2 電源特性比較

僅從電源的性能將分布式供電與傳統(tǒng)供電進行標校，傳統(tǒng)集中式供電電源中以動態(tài)響應快、成本低、適應性好的單端反激結構電路為比較對象，有關情況見表1。

表1 傳統(tǒng)供電與分布式供電比較

2.電源設計

電源設計采用數字控制與模擬控制相結合的方式，預穩(wěn)壓電路、隔離電路采用全數字控制方式，可以最大化的提高效率。負載端穩(wěn)壓電路采用模擬控制，最大限度的在負載端提高電源動態(tài)特性。

下文分別介紹各功能模塊的工作原理以及電路設計。

2.1 預穩(wěn)壓電路單元

預穩(wěn)壓組件主電路采用改進型的升降壓四開關電路，該穩(wěn)壓電路結構簡單，輸入輸出同極性、共地。當輸出電壓和輸入電壓相近時，工作效率最高，為后級功率變換器提供小范圍波動的直流電壓。

主電路中包括四只開關器件、濾波儲能電感、輸入輸出濾波電容，以輸入15-50V，額定28V，預穩(wěn)壓輸出為28V為設計對象。

主電路有三種工作模式，根據不同的輸入電壓進行不同模式的控制，控制方式見表2。

表2 三種工作模式

以基于LT3703模擬芯片的四開關電路為例，該芯片內置的控制方式與本文數字化控制方式相同，效率達到95%。

2.2 功率分組電路單元

功率分組電路單元采用正激推挽拓撲結構，該拓撲結構簡單，外圍元器件少、成本低，更方便對負載功率進行檢測。

功率分組電路對預穩(wěn)壓組件提供的直流電壓進行交流變換、整流，最終實現變壓、隔離功能。隔離變壓器采用多繞組輸出設計，根據負載電源需求以及變壓器繞制技術，選擇適當的變壓器磁芯選型以及繞制方式。

功率器件交替開通，占空比為50%，該組件控制采用開環(huán)控制。為提高組件功率變換效率，在變壓器設計中避免采用副邊全波整流的耦合方式，變壓器采用推挽輸出方式，副邊采用半波整流，減少整流二極管數量，提高效率。采樣電阻實現對原邊電流的采樣，并傳遞給控制電路板，中央控制器監(jiān)測該信號確定變壓器工作狀態(tài)，可以有效去除變壓器偏磁引起的故障模式，并通過判定該電流信號確定負載工作狀態(tài)，實現變頻控制，提高效率。

以基于SG1525的開環(huán)控制功率分組電路為例，芯片外圍設定與與本文數字化控制方式相同，效率達到96%。

2.3 負載端穩(wěn)壓電路單元

負載端穩(wěn)壓電路單元是最接近負載電路的供電部分，該單元主電路采用BUCK同步整流電路，實現對電源輸出的精確穩(wěn)壓功能。該拓撲結構需要較小的波電感，能夠精確控制輸出電壓，具有良好的動態(tài)特性，同時該電路電磁兼容性好，更適合進行模塊化設計，方便與目標負載板的連接，原理圖見圖2。

圖2 負載端穩(wěn)壓電路主電路原理圖

主電路中包括場效應管V1、V2、濾波電容C1、C2以及濾波電感L1，R1和R2為輸出采樣電阻，為控制芯片提供精確的輸出采樣電壓。

控制部分采用高效控制芯片TPS40057，該芯片通過外圍阻容可以實現限流、軟啟等擴展功能。該款芯片輸入電壓范圍為8-40V，完全能夠滿足當前電源中5V、15V、18V等電壓類型輸出。BUCK變換器采用最小化式電路板設計，插針固定，方便在目標負載板上進行插拔連接，效率達到96。

2.4 控制電路

控制電路完成對預穩(wěn)壓電路、隔離電路、負載端穩(wěn)壓電路三部分的控制。該部分采用以電源專用控制芯片TI公司提供的高速DSP型 MS320F2812PGFA（簡稱為2812）作為核心控制核心，2812外接30MHz晶振，內部進行五倍頻，最高工作頻率150MHz，可以進行復雜的控制算法設計，其內部集成高速PWM外設、高速16通道AD轉換器、豐富的I/O端口以及集成高速CAN通訊模塊。

2812作為一款電源控制專用芯片，技術成熟，當前已經在交流電源中廣泛應用。其內部集成的事件管理器A（EVA）、事件管理器B（EVB）專門用作多開關的電源控制，內部具有多組邏輯互補的控制信號，更兼有死區(qū)控制功能，設置簡單方便。

2.4.1 預穩(wěn)壓電路控制

由于預穩(wěn)壓電路輸入輸出電壓均為直流量，設計簡單的分壓電阻取樣電路，分壓取樣信號進入2812內部高速AD，2812根據采樣信號對預穩(wěn)壓電路進行閉環(huán)控制，并通過EVA對開關器件進行控制，控制流程圖見圖3。

圖3 預穩(wěn)壓電路控制流程圖

2.4.2 功率分組電路控制

功率分組電路控制采用開環(huán)控制，通過設定死區(qū)，使得占空比基本接近50%。同時，利用2812內部集成AD對推挽原邊電流進行采樣，同時利用上一級預穩(wěn)壓電路的直流輸出，可以計算出系統(tǒng)所需求的總功率。

在直流電源中，功率損耗主要包括變壓器的高頻磁損和開關器件的高頻驅動損耗，為提高整套電源系統(tǒng)工作效率，對隔離電路進行工作頻率控制。由于在變壓器型號確定的情況下，電源的輸出功率與工作頻率成近似反比關系。當電源工作在輕載時，適當降低工作頻率，可以達到輕載高效的節(jié)能工作模式，該工作模式對于有限空間內的電源來講，是非常有必要的，控制流程圖見圖4。

為防止功率分組電路在頻率跳躍時造成系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定或者其他干擾，在功率判定選擇工作頻率時需要增加滯環(huán)環(huán)節(jié)，該部分在程序判定中實現。

圖4 隔離電路控制流程圖

2.4.3 負載端穩(wěn)壓電路工作時序控制

隨著功能的逐漸增加，對電源輸出路數有了更多的要求，相應的各路電源間的啟動時序也成為必須解決的問題。以往的集中式直流電源往往通過模擬電路中的供電控制、環(huán)路響應等實現對啟動時序的控制，這種控制方式的一致性較差，反過來又會帶來各路電源動態(tài)特性的差異。

采用數字化智能控制，方便的對各路電源的啟動時序進行控制，而并不影響正常工作時的動態(tài)響應。

3.結論

基于數字控制與模擬控制相結合的分布式供電方式，在效率、可靠性、靈活控制等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式供電電源，該功率構架對抗浪涌抑制方面有較好效果，在多路復雜供電系統(tǒng)中有較好的應用前景。

[1]張興柱.開關電源功率變換器拓撲與設計[M].中國電力出版社,2010.

[2]LTC3780數據手冊.