模块化开关电源组合特性测试研究

Buck多知识点：模态分析，电感计算，EMI分析

引言

模块化开关电源产品被广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、半导体制冷制热、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备等领域。中电华星作为国内目前销售规模最大的模块化电源供应商，在模块应用方面拥有业内最全面、最专业、最实用的应用方案。而模块电源的组合应用为最常见的电源应用方案，在各个行业都有广泛的需求。

采用模块化电源可以组合成为分布式供电系统，成为N+M的冗余电源系统．实现基于并联方式的容量扩展和基于串联方式的电压扩展。

1 模块化开关稳压电源的组合特性

在此，中电华星的电源工程师以AC／DC电源为例，研究单个开关电源的组合特性。

1．1 模块化AC／DC稳压电源的主要特性

模块化AC／DC稳压电源特性一般包括额定输出电压、纹波噪声、输入调整率、输出调整率、稳定度、过载保护以及动态响应等诸多性能。

额定输出电压

输出电压准确度指开关电源正常工作时的直流输出电压的波动范围，通常不超过额定输出上下5％的范围。

输入调整率

输入调整率源自电源在带动负载时。电源的输出电压因输入电压波动所引起的变化。在规定的输入电压变化范围内一般不大于5％。开关电源输入调整率为

式中：△U为输出电压的变化量，△U=U-U1；U为空载电压；U1为输入电压在规定要求范围变化时的额定负载输出电压。

输出调整率

电源输出侧负载的变化会引起电源输出的变化，开关电源的性能越好，由负载的变化所引起的输出电压变化越小，通常开关电源的输出调整率指标为3％一5％。其表达式为

式中：U1为负载变化时的输出电压。

1．2 模块化AC／DC稳压电源的组合特性

模块化的直流稳压电源能够根据负载需要进行并联、串联和混联组合，可以避免设计与制作多种标准的稳压电源。

1)并联组合常用于增大供电电流，理想情况下并联后的特性为

额定供电电压及总电流

输入调整率

输出调整率

2)串联组合常用于提高供电电压，理想情况下串联后的特性为

供电电压及总电流

输人调整率

输出调整率

3)混联组合常用于满足同时增大供电电流、提高供电电压的电源系统需求。理想情况下混联后的特性为

供电电压及总电流

2 试验研究

2．1 样本电路

样本电路选择基于VIPER22A驱动芯片的220 VAC／5 V DC单端反激式开关电源电路 。该电路输入电压范围宽，可以保证输入电网电压在较宽的范围内出现波动时，开关电源仍然可靠、稳定工作。在有效负载范围内。输出电压可保持在在4．8～5．2 V，纹波噪声不大于150 mV。其电路原理如图1所示。

2．2 占空比计算

所研究的反激式开关电源的交流电源输入范围为100～225 V，经全桥整流、滤波后得到直流电压，其最大值、最小值分别为286 V和147 V。最大占空比为

式中： Vor为次级反射到初级的反射电压，可选135 V；Vds 为VIPER22A的通态电压，选择5 V。代人式(13)，可得

2．3 试验环境与试验仪器

测试在常温22℃下进行，试验原理如图2所示。使用以下仪器：Tektronix TDS 1002双通道示波器，观察开关电源的纹波大小；FLUKE DUAI 5位半万用表，测量开关电源在不同情况下的输出电压：91L16交流自耦调压器，改变开关电源的交流输入电压以测试输入调整率。

2．4 单块开关电源特性试验

2．4．1 稳压输出

测试时，AC／DC开关电源电路交流输人端接220 V市电．分别测试编号1～3的AC／DC开关电源电路的空载输出，如表l所示。

单块开关电源的电源准确度均>99％ 。纹波系数不高于1％，该开关电源输出精度符合要求，可以进行后续试验测试。

2．4．2 输入调整率

测试时，AC／DC开关电源电路交流输入端接交流自耦调压器，输出端接5Ω额定负载，多次调节交流自耦调压器的输出，分别测试编号1～3的AC／DC开关电源电路的输出电压，测试数据如表2所示。

2．4．3 输出调整率

测试时，AC／DC开关电源电路交流输入端接220 V市电，通过改变开关电源电路输出端的负载，分别测试编号1~3的AC／DC开关电源电路。在不同负载情况下的输出电压，测试结果如表3所示。

多个开关电源单体经串联组合后。性能相对于开关电源单体而言，会产生一定的变化。在此，基于单块开关电源的特性分析，测试不同数量开关电源单体的串联组合特性，测试结果如表4所示。

开关电源串联总电压与分压情况(负载15Ω)

开关电源串联后。测试结果显示较之开关电源单体，具有更好的输入调整，如表5所示。

开关电源串联后，组合电源系统在获得电压扩展的基础上，具有更优的输入调整率和输出调整率。

2．6 并联组合

开关电源并联组合对开关电源单体的性能要求较高，要求开关电源单体问的输出特性保持较高的一致性。

性能一致的电源单体通过并联组合向负载供电时，在没有主动配流技术支撑的情况下，一旦有电源单体的带负载能力达到极限而失效，会导致整个组合电源系统的失效。基于此．分别测试了不同数量开关电源单体的并联组合特性，测试结果如表6所示。

开关电源并联总电流与分流情况(负载5Ω)：

开关电源并联后输出调整率的改善效果更加明显。相同负载情况下，当3块开关电源并联时，3块开关电源近似均匀分流，弱化了开关电源单体间性能的差异性。开关电源并联后，输入调整率基本保持不变。较之单块开关电源具有更好的输入调整率，如表7所示。

开关电源并联后，电源系统具有更优的输入输出特性：而且并联的电源单体数量越多．分流越均匀。

2．7 混联组合

混联组合是指分布式电源系统同时存在串联和并联结构。有必要研究此类更加复杂的组合电源的特性。

试验设计为2个开关电源单体并联后再串联第3个开关电源单体(即编号1和3并联。再与编号2串联)。测试结果如表8、表9所示。

混联分压、分流情况：

多个开关电源单体混联后，相对于单一的串联或并联组合电源系统，具有更优的分流、分压特性。

3 结语

据中电华星电源工程师介绍，本组合模块电源系统可用于野外作业、海底观测网络、飞行器产品等一类特殊环境下分布式组合供电系统。以飞机电源为例，其供电系统常采用模块化电源组合供电，为飞机的推进、控制等系统提供所需能量，模块化设计与按需组合还具有减少成本，缩短研制周期，维护性好等优点。随着空间科学技术的飞速发展，民用、军用、无人机等飞行器均需要可靠、安全、一致性高的电源模块。研究模块化电源的组合特性，可为模块化电源设计、测试、优化提供参考依据。更多电源解决方案请咨询中电华星电源工程师。