蘇少侃，彭 勃，王立偉，鄭 煒，常 濤，陳明陽(yáng)

0 引 言

目前，航天器采用多路輸出DC-DC(Direct Current to Direct Current)變換器為各個(gè)部件提供二次電源，其目的是盡量減小DC-DC變換器在航天器中所占的體積和質(zhì)量，進(jìn)而提高航天器內(nèi)部有效載荷所占的比重.多路輸出DC-DC變換器所用變壓器和電感繞組多采用漆包線并繞而成，研制過(guò)程中無(wú)法避免各個(gè)繞組之間、繞組和磁芯之間、磁芯和磁芯之間存在氣隙以及不對(duì)稱(chēng)等問(wèn)題，導(dǎo)致變壓器和電感各繞組之間不能完全耦合，存在一定的漏感[1-2].當(dāng)多路輸出DC-DC變換器所連接的負(fù)載由于自身功率需要產(chǎn)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生各路輸出電壓調(diào)整不一致的情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致輸出電壓偏離負(fù)載正常工作范圍[3].為了提高多路輸出DC-DC變換器的輸出穩(wěn)定度和負(fù)載調(diào)整率，一方面可以?xún)?yōu)化變壓器的繞制方法，盡量減少漏感，但不可能徹底消除變壓器的漏感，無(wú)法根本上解決多路輸出穩(wěn)定度和調(diào)整率較差的問(wèn)題.另一方面可以采用加權(quán)反饋控制方式或者在DC-DC變換器非主控輸出端增加線性穩(wěn)壓器電路.加權(quán)反饋控制方式通過(guò)將各路輸出電壓按照一定的比例一同反饋至控制器，通過(guò)反饋比例系數(shù)的合理設(shè)計(jì)，該方法一定程度上可以改善調(diào)整率，但由于各路輸出電壓的變化均對(duì)占空比的變化產(chǎn)生影響，當(dāng)負(fù)載范圍變化較大時(shí)，調(diào)整率依然較差[4-5].在非主控輸出電壓支路增加線性穩(wěn)壓器進(jìn)行二次調(diào)整，由于反饋信號(hào)只有該支路輸出電壓信號(hào)，該方法可以較大提高多路輸出DC-DC變換器非主控輸出的穩(wěn)定度和負(fù)載調(diào)整率.線性穩(wěn)壓器內(nèi)部主要由雙極型晶體管和高精度電壓基準(zhǔn)源組成.在航天器中應(yīng)用時(shí)，需對(duì)線性穩(wěn)壓器進(jìn)行抗輻照加固設(shè)計(jì)，以提高器件空間抗輻照能力.在實(shí)際應(yīng)用中往往受抗輻照加固線性穩(wěn)壓器元器件種類(lèi)以及功率等級(jí)的限制，可選擇的元器件規(guī)格種類(lèi)較少.同時(shí)為保證星載電子產(chǎn)品可靠性，在星載電子線路設(shè)計(jì)時(shí)，流過(guò)線性穩(wěn)壓器的最大電流按照不大于0.6倍額定電流設(shè)計(jì)，施加在線性穩(wěn)壓器輸入端的最高電壓按照不大于0.7倍額定電壓設(shè)計(jì)，降額設(shè)計(jì)使得在高壓大電流場(chǎng)合無(wú)法選擇到適合的線性穩(wěn)壓器.

通過(guò)線性穩(wěn)壓器并聯(lián)的方法可以實(shí)現(xiàn)輸出電流擴(kuò)容的目的.但由于線性穩(wěn)壓器單體之間內(nèi)阻、導(dǎo)通壓降、電壓基準(zhǔn)存在不完全一致的情況，實(shí)際并聯(lián)使用時(shí)需設(shè)計(jì)均流環(huán)路，確保流過(guò)每個(gè)線性穩(wěn)壓器的電流基本相同，避免其中某一個(gè)線性穩(wěn)壓器通過(guò)過(guò)大的電流而導(dǎo)致失效.目前常用的均流控制方法有下垂法、平均電流法、主從設(shè)置法等[6-7].

下垂法的原理是通過(guò)合理設(shè)計(jì)輸出電流采樣電阻的位置，實(shí)現(xiàn)輸出并聯(lián)均流，由于電路實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，成本較低，在負(fù)載范圍變化不大的場(chǎng)合存在較多應(yīng)用.在負(fù)載電流變化范圍較大時(shí)，下垂法的輸出電壓穩(wěn)定度和調(diào)整率較差，無(wú)法滿(mǎn)足航天器各部件對(duì)高穩(wěn)定度電壓的需求.本文在下垂并聯(lián)均流方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)負(fù)載變化大時(shí)輸出電壓穩(wěn)定度不能滿(mǎn)足使用要求的問(wèn)題，提出一種新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路，該電路采用電壓控制環(huán)和均流控制環(huán)進(jìn)行雙環(huán)控制，在實(shí)現(xiàn)高均流度的基礎(chǔ)上，提高了輸出電壓穩(wěn)定度，滿(mǎn)足了航天器各部件對(duì)高穩(wěn)定度電源的需求.

1 下垂并聯(lián)均流電路

圖1為采用下垂并聯(lián)均流的電路圖，兩個(gè)線性穩(wěn)壓器共用一個(gè)電壓調(diào)整環(huán)路，每路線性穩(wěn)壓器的調(diào)整端(Adj)和地線端(GND)之間串聯(lián)電流采樣電阻RC，R1和R2對(duì)輸出電壓分壓，并反饋至Adj端.線性穩(wěn)壓器Adj端和GND端之間的電壓為一恒定值，等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Vref.根據(jù)反饋原理，此時(shí)每路線性穩(wěn)壓器的輸出電壓Vo以及流過(guò)每路線性穩(wěn)壓器的電流io_n(n=1、2)與調(diào)整端電壓VAdj滿(mǎn)足下述關(guān)系：

(1)

式中RC為采樣電阻，根據(jù)式(1)分析，可以得出：

1)由于各模塊的輸出電流信號(hào)疊加到了各自的輸出閉環(huán)控制環(huán)路中，因此輸出電壓調(diào)整率受輸出電流的影響.

2)實(shí)際應(yīng)用中兩路線性穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓存在不一致，因此不能保證流過(guò)兩個(gè)線性穩(wěn)壓器的電流相同見(jiàn)圖3所示.

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出式(2)給出的輸出電壓變化量ΔVo與輸出電流變化量Δio_n的關(guān)系.輸出電壓的變化受輸出電流變化和采樣電阻阻值影響，輸出電流變化范圍寬，輸出電壓變化范圍寬，調(diào)整率差.在相同輸出電流變化量下，采樣電阻阻值選取越大，輸出電壓變化量越大，負(fù)載調(diào)整率越差.

(2)

假定兩個(gè)線性穩(wěn)壓器的反饋電壓基準(zhǔn)相同且均為1.25 V，圖2為輸出電壓變化量隨兩個(gè)模塊輸出電流之和io變化的關(guān)系圖.輸出電流之和io在0～1 A變化時(shí)，當(dāng)采樣電阻RC取0.2 Ω，輸出電壓變化量接近1 V，輸出電壓變換較大.當(dāng)RC取值0.5 Ω時(shí)，輸出電壓變化量增加至2.4 V.采樣電阻阻值選取越大，負(fù)載調(diào)整率越差.

在實(shí)際應(yīng)用中，兩路線性穩(wěn)壓器之間的基準(zhǔn)電壓Vref存在一定差異，將導(dǎo)致流過(guò)兩路線性穩(wěn)壓器的電流存在差異.根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出式(3)給出的流過(guò)兩個(gè)線性穩(wěn)壓器的電流差隨兩路線性穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓差變化的關(guān)系，采樣阻值取值越小，兩路電流差值越大.

(3)

為便于分析，對(duì)式(3)進(jìn)行標(biāo)幺化，以A1線性穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓Vref_1為標(biāo)準(zhǔn)量Vref，設(shè)A2線性穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓Vref_2與Vref_1的偏差量為γ，式(3)可簡(jiǎn)化為

(4)

圖3為兩路線性穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓的偏差量對(duì)均流的影響.基準(zhǔn)電壓偏差量10%，采樣電阻為0.2 Ω時(shí)，兩路電流相差0.625 A，采樣電阻為0.5時(shí)，兩路電流相差0.25 A，增加采樣電阻阻值，可減小兩路線性穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓偏差對(duì)均流的影響，但是輸出電壓調(diào)整率變差.

通過(guò)以上分析可以知道，下垂并聯(lián)均流控制采取在反饋回路中串聯(lián)電流采樣電阻的辦法，實(shí)現(xiàn)均流，但是在輸出電流變化范圍較大的場(chǎng)合，輸出電壓的穩(wěn)定度和調(diào)整率無(wú)法得到保證.

2 新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路

通過(guò)調(diào)整下垂并聯(lián)均流電路中兩個(gè)線性穩(wěn)壓器輸出電流采樣電阻的位置，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓環(huán)和輸出均流環(huán)的雙環(huán)控制.

圖4為雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路，將圖1下垂并聯(lián)均流電路中A1線性穩(wěn)壓器采樣電阻Rc的位置進(jìn)行調(diào)整，Rc不包含在Adj端和GND端回路中，輸出電壓采樣直接反饋至A1的Adj端，反饋回路中不包含輸出電流狀態(tài)，通過(guò)A1線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，即電壓控制環(huán).在A2線性穩(wěn)壓器中增加了由R1B和R2B構(gòu)成的獨(dú)立反饋支路，反饋電阻R2B連接至A1線性穩(wěn)壓器采樣電阻的一端，因此A2線性穩(wěn)壓器的反饋電路中包含了A1線性穩(wěn)壓器和A2線性穩(wěn)壓器的電流狀態(tài)，該反饋支路對(duì)A2的輸出進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出均流調(diào)整，即均流環(huán)控制.

根據(jù)反饋原理，式(5)給出了圖4中A1線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與調(diào)整端電壓關(guān)系.由于調(diào)整端電壓等于基準(zhǔn)電壓，為恒定值，因此輸出電壓值只取決于輸出電壓采樣電阻阻值的比例.

(5)

根據(jù)反饋原理，式(6)給出A2線性穩(wěn)壓器的輸出電壓與調(diào)整端電壓、A1線性穩(wěn)壓器電流io_1、A2線性穩(wěn)壓器電流io_2的關(guān)系.公式中Vref為恒定值，因此A2線性穩(wěn)壓器的輸出電壓調(diào)整受io_2、io_1差值的影響.

(6)

由圖4可知，由于A1線性穩(wěn)壓器中控制電路的靜態(tài)電流i1_Q流過(guò)采樣電阻，因此式(6)中包含了A1線性穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流.

根據(jù)式(6)可以知道，由于A2的反饋回路中未能完全包含兩路線性穩(wěn)壓器的電流差，因此兩個(gè)線性穩(wěn)壓器的均流存在一定的偏差.為簡(jiǎn)化分析新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路的均流效果，設(shè)R2B/(R1B+R2B)為系數(shù)α，io_2和io_1之和為總輸出電流io，根據(jù)式(6)可計(jì)算A2的輸出電流io_2，如式(7)所示.

(7)

為簡(jiǎn)化分析，設(shè)流過(guò)A1的輸出電流與靜態(tài)電流i1_Q為β倍放大關(guān)系，假設(shè)輸出電壓為12 V，線性穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓為1.25 V，取A1和A2的反饋網(wǎng)絡(luò)R1n和R2n(n=A、B)比值相同，根據(jù)式(7)可得圖5所示的兩路線性穩(wěn)壓器電流差與輸出電流之和io的關(guān)系.

圖5表明兩路線性穩(wěn)壓器沒(méi)有完全均流，隨兩路線性穩(wěn)壓器輸出電流之和io的增加，兩路模塊的輸出電流差值增加，最大差值為32 mA，差值較小，該電流差值不影響該并聯(lián)均流電路在并聯(lián)擴(kuò)容場(chǎng)合中的使用.

由于在最大輸出電流工況下，線性穩(wěn)壓器熱耗較大，在該工況下不均流，使得兩路線性穩(wěn)壓器的熱耗存在一定差異.為保證兩路線性穩(wěn)壓器的最大熱耗一致，根據(jù)式(6)可知，通過(guò)調(diào)整R1B和R2B的比值，可以實(shí)現(xiàn)流過(guò)A1和A2模塊的電流在最大輸出電流工況下均流，圖7為調(diào)整R1B和R2B比值，使兩線性穩(wěn)壓器在1A負(fù)載完全均流時(shí)，流過(guò)兩路線性穩(wěn)壓器的電流隨輸出電流之和io變化的電流曲線，曲線表明在輸出電流之和io減小至iA點(diǎn)(25 mA)時(shí)，A1的電流下降為0.由于線性穩(wěn)壓器為單向?qū)ㄌ匦?，?dāng)輸出電流之和繼續(xù)減小時(shí)，輸出電流全部由A2提供，流過(guò)A1電流始終為0，輸出電壓幅值由A2的反饋支路決定.根據(jù)公式(6)可知，由于A2的反饋環(huán)路中包含A2和A1電流差值，隨著電流差的減小，將導(dǎo)致輸出電壓Vo升高.

圖7為根據(jù)式(6)得到兩個(gè)線性穩(wěn)壓器在輸出電流之和1 A均流時(shí)，輸出電壓變化量隨輸出電流之和io變化的曲線，在0～1 A負(fù)載范圍內(nèi)變化，在采樣電阻取值0.2 Ω時(shí)，新型并聯(lián)均流電路的輸出電壓變化量最大為51 mV，在采樣電阻取值0.5 Ω時(shí)，輸出電壓變化量最大為141 mV.圖2和圖7對(duì)比表明在相同負(fù)載變換范圍內(nèi)，雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路的負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于下垂并聯(lián)均流電路.

上述對(duì)新型并聯(lián)均流電路的分析基于線性穩(wěn)壓器之間的基準(zhǔn)電壓相等，但是在實(shí)際應(yīng)用中線性穩(wěn)壓器之間的基準(zhǔn)電壓存在個(gè)體差異，基準(zhǔn)電壓的差異對(duì)均流效果及負(fù)載調(diào)整率產(chǎn)生一定影響.下面分析基準(zhǔn)電壓偏差對(duì)新型并聯(lián)均流電路的均流效果及負(fù)載調(diào)整率影響.

根據(jù)式(7)可以得到兩路線性穩(wěn)壓器在最大輸出電流之和io_max均流時(shí)，A2反饋網(wǎng)絡(luò)比例與基準(zhǔn)電壓關(guān)系.

(8)

結(jié)合式(7)和式(8)可以得到A1線性穩(wěn)壓器輸出電流減小至0時(shí)，流過(guò)兩個(gè)線性穩(wěn)壓器的電流之和io與基準(zhǔn)電壓Vref關(guān)系.

(9)

基準(zhǔn)電壓的偏差量為γ，則式(9)可整理為

(10)

根據(jù)式(10)可以得到圖8所示的在流過(guò)A1線性穩(wěn)壓器電流io_1減小為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電流之和io與基準(zhǔn)電壓偏差量關(guān)系，此時(shí)輸出電流之和io即為流過(guò)兩路線性穩(wěn)壓器的最大電流差.曲線表明基準(zhǔn)電壓偏差量在-10%至+10%范圍內(nèi)時(shí)，流過(guò)兩路線性穩(wěn)壓器的最大電流差在24 mA～35 mA之間，因此兩路線性穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓的偏差對(duì)均流效果的影響較小.圖3和圖8對(duì)比表明，基準(zhǔn)電壓偏差量對(duì)均流效果的影響小于下垂并聯(lián)均流電路.同時(shí)曲線表明采樣電阻Rc的取值對(duì)均流的影響較小.

根據(jù)前面分析，當(dāng)A1的輸出電流減小至0時(shí)，輸出電流全部由A2提供，此時(shí)輸出電壓由A2的反饋網(wǎng)絡(luò)控制，隨負(fù)載減小，輸出電壓升高.結(jié)合式(7)和式(10)，可以得到基準(zhǔn)電壓偏差量γ對(duì)輸出電壓變化量ΔVo的影響.

(11)

圖9為輸出電壓變化量與基準(zhǔn)電壓偏差量的關(guān)系.曲線表明在雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路中基準(zhǔn)電壓偏差量對(duì)輸出電壓在全負(fù)載范圍內(nèi)的變化存在影響，在基準(zhǔn)電壓偏差量在±10%范圍內(nèi)，當(dāng)采樣電阻Rc取0.2 Ω時(shí)，輸出電壓變化量小于67.5 mV，當(dāng)采樣電阻Rc取0.5Ω時(shí)，輸出電壓變化量小于151 mV，因此基準(zhǔn)電壓偏差量對(duì)輸出電壓變化的影響較小.

3 仿真及試驗(yàn)分析

按照?qǐng)D4，對(duì)雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路進(jìn)行仿真，對(duì)上述理論分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證.圖10為取A1和A2的反饋網(wǎng)絡(luò)R1n和R2n(n=A、B)比值相同時(shí)仿真波形，波形從上至下分別為輸出電流之和io、兩路線性穩(wěn)壓器電流之差io_1-io_2、輸出電壓Vo.仿真波形表明，在兩路線性穩(wěn)壓器的輸出電壓反饋系數(shù)相同時(shí)，可以保證全負(fù)載工況下，輸出電壓具有較好的負(fù)載調(diào)整率，但是隨負(fù)載增加，流過(guò)兩個(gè)模塊的電流差增加.仿真結(jié)果與理論分析一致.

圖11為調(diào)整A2模塊的反饋網(wǎng)絡(luò)R1B和R2B(n=A、B)比值，使兩線性穩(wěn)壓器在輸出電流之和為1 A時(shí)均流的仿真波形，波形從上至下分別為輸出電流之和io、兩路線性穩(wěn)壓器電流之差io_1-io_2、輸出電壓Vo.仿真波形表明保證在最大負(fù)載工況下兩路線性穩(wěn)壓器均流時(shí)，隨輸出電流之和io的減小，輸出電壓增加，仿真結(jié)果與理論分析一致.

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了兩路并聯(lián)12 V/1 A輸出均流電路進(jìn)行驗(yàn)證.每路模塊輸入為14 V，電流采樣電阻選取0.25 Ω電阻，低壓差模塊選用LM2941，并聯(lián)后最大輸出為1 A.圖12和圖13為通過(guò)調(diào)整反饋網(wǎng)絡(luò)使兩路線性穩(wěn)壓器在最大輸出電流下均流時(shí)，電流和電壓隨輸出電流之和變化情況.測(cè)試結(jié)果表明輸出電流之和在0～1 A變化時(shí)，輸出電壓變化量小于130 mV，輸出電壓調(diào)整率優(yōu)于下垂并聯(lián)均流電路，輸出電壓調(diào)整率滿(mǎn)足航天電子線路對(duì)供電電壓的需求.

圖14和圖15為通過(guò)調(diào)整反饋網(wǎng)絡(luò)使兩路線性穩(wěn)壓器在輸出電流20 mA工況下均流時(shí)，流過(guò)線性穩(wěn)壓器的電流、輸出電壓隨輸出電流之和變化情況.測(cè)試結(jié)果表明輸出電流之和在0～1 A范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓變化量小于100 mV，流過(guò)兩路線性穩(wěn)壓器的電流差小于51 mA，輸出電壓調(diào)整率優(yōu)于下垂并聯(lián)均流電路，輸出電壓調(diào)整率滿(mǎn)足航天電子線路對(duì)供電電壓的需求.

4 結(jié) 論

針對(duì)下垂并流均流穩(wěn)壓電路在輸出電流變化范圍較大時(shí)，輸出電壓負(fù)載調(diào)整率較差的問(wèn)題，提出了一種采用電壓環(huán)和均流環(huán)雙環(huán)控制的并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路，電路實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，在保證線性穩(wěn)壓器具有較好均流的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了輸出負(fù)載調(diào)整率的有效提升.試驗(yàn)結(jié)果表明新型雙環(huán)控制并聯(lián)均流穩(wěn)壓電路比下垂均流電路在負(fù)載調(diào)整率方面具有較大改善.

目前，該雙環(huán)控制并聯(lián)均流電路已在航天器產(chǎn)品中得到應(yīng)用，在保證均流的基礎(chǔ)上，有效改善了線性穩(wěn)壓器并聯(lián)均流電路的輸出電壓調(diào)整率，滿(mǎn)足了航天電子線路對(duì)輸出電壓高穩(wěn)定度的需求.