模块化开关电源组合特性测试研究

吴琛浩，岳继光，刘志刚

（同济大学 电子与信息工程学院控制系，上海 201804）

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、LED照明、半导体制冷制热、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备和数码产品等领域[1]。

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[2]。

1 模块化开关稳压电源的组合特性

在此，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[3]。

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：ΔU为输出电压的变化量，ΔU=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%～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

输入调整率

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 V AC/5 V DC单端反激式开关电源电路[4]。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[5]。其电路原理如图1所示。

图1 电路原理Fig.1 Principle block diagram

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[6]

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。代入式（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[7]。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。

图2 试验原理Fig.2 Block diagram of experiment

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入端接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1所示。

表1 电源稳压输出及纹波Tab.1 Power supply regulator output and ripple

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5 Ω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。

表2 输入调整率λinTab.2 Input adjustment rate

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。

表3 电源输出调整率λoutTab.3 Power output adjustment rate

2.5 串联组合

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15 Ω）：

表4 电源串联输出调整率λout0Tab.4 Power series output adjustment rate

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。

表5 电源串联输入调整率λin0Tab.5 Power series input adjustment rate

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，要求开关电源单体间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。

表6 电源并联输出调整率λout0Tab.6 Power parallel output adjustment rate

开关电源并联总电流与分流情况（负载5 Ω）：

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。

表7 电源并联输入调整率λin0Tab.7 Power supply parallel input adjustment rate

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：

表8 1，2，3混联的电源特性Tab.8 Hybrid power source

表9 混联分压、分流Tab.9 Mixed partial pressure，bypass flow

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

本系统可用于野外作业、海底观测网络、航天器产品等一类特殊环境下分布式组合供电系统。以卫星电源为例，其供电系统常采用模块化电源组合供电，为卫星的推进、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，微卫星、伪卫星、方块卫星以及细胞卫星均需要可靠、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。

[1]周志敏，周纪海.开关电源实用技术——设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[3]何佳，张煜盛.电流型PWM控制器UC3844及其在微机电源中的应用[J].电子工程师，2005，31（1）：42-46.

[4]潘腾，林明耀，李强.基于TOP224Y芯片的单端反激式开关电源[J].电力电子技术，2003，37（2）：20-22.

[5]何艳丽，陈鸣，王克城.基于UC3844的反激式稳压电源的设计及分析[J].电源技术应用，2008，11（4）：17-21.

[6]马洪涛，沙占友，周芬萍.开关电源制作与调试[M].北京：中国电力出版社，2010.

[7]张久亮，郭前岗，周西峰.基于Viper22的单端反激式开关电源设计[J].电源技术，2014，38（9）：1733-1734，1761.