基于L6615D的DC/DC变换器并联均流电路设计

何丽 王晓东 张恒辉

（中国电科第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

分布式电源系统是电源系统的发展方向之一,实现途径是将多个中小功率电源模块并联共同承担大功率的输出。可通过改变并联电源模块的数量来满足负载的大功率要求。并可方便实现电源的冗余，有利于提高电源系统可靠性。

电源并联运行时，由于各单元电源模块输出电压不完全相同，输出阻抗也不一致，若直接并联，会使其承受不均衡负载，导致电流应力和热应力分配不均发生故障。须采取均流措施来均衡各个电源模块的输出电流，达到输出电压、输出电流、输出功率扩展和保证应力的均匀分布的目的。“均流”的问题，解决方法的不同，对整个电源扩展系统的稳定性、可靠性都有很大的影响。

均流措施的主要任务是：

（1）当输入电压或负载变化时，每台电源的输出电压保持稳定，并具有良好的负载瞬态响应特性；

（2）使个电源模块承受的输出电流均摊；

（3）使均流与冗余技术结合。

2 几种均流方法简介

DC/DC 电源并联常见的均流方法有：输出阻抗法、平均电流自动均流法、热应力自动均流法、主从设置法、自动主从法（最大电流自动均流法）等。

2.1 输出阻抗法

输出阻抗法,是在小电流时电流分配特性差，随着电流的增大，分配特性会有所改善，但仍不平衡，且以牺牲电压调整率来个别调整每个模块达到均流。此法可应用在小功率、均流精度要求较高的场合，对于额定功率不同的并联模块，难以实现均流。

2.2 平均电流自动均流法

平均电流自动均流发法是指均流环参考电压为各模块电流的平均值，其值反映在均流母线b 的电压上，如图1 所示。R 为均流电阻，均流母线电压与每个电源模块的采样电压信号比较后，通过调节放大器输出1 个误差电压，从而调节单元模块的输出电流，达到均流目的。若R 上不为零时，表明模块间电流分配不均衡，需通过均流环调节来达到均流目的，若R 上的电压为零，表明这时已实现均流。平均电流自动均流发法可以精确地实现均流，但具体应用时，也存在着缺点，例如当均流母线发生短路或当接在母线上的任一个模块不能工作时，母线电压下降，促使各模块电压下调，甚至下调至其下限值，造成电源系统故障。

图1：平均电流自动均流法

图2：均流IC 内部原理图

图3：基于L6615D 的N 个电源模块并联应用图

2.3 热应力自动均流法

热应力自动均流法按每个模块的电流和温度(即热应力)自动均流，每个模块的电流和温度决定了模块间的均流的程度。电源系统中各模块温度存在差异，原因是各并联模块在电源中的位置不同，对流情况和散热等外界条件各不相同，在设计电源时，应用此法的好处是可以不必考虑各模块的布置情况，但此法因温度变化和电流之间的关系不能精确对应，故应用较少。

2.4 指定主从设置法

指定主从法不存在均流环，而是在并联的多个变换器中，指定其中一个为主模块，其余为从模块。从模块的电压误差信号均为主模块的电压误差信号，利用电流型控制实现均流。指定主从法均流精度很高，存在的最大问题是主模块的不可替代性，其出现故障时，整个系统将完全瘫痪，不适用于冗余并联系统。此外，系统在统一的误差电压控制下，任何非负载电流引起的误差电压的变化都会引起各并联电源模块电流再次分配，从而降低均流精度。电压环的带宽大，易受外界噪声干扰。

2.5 自动主从均流法

自动主从均流法又称为最大电流自动均流法（相对于指定主从法而言），是自动设定主电源模块和从电源模块的方法，在N 个并联的DC/DC 电源模块中，输出电流最大的电源模块被自动确定为主模块，其余的电源模块则为从模块。

主模块确定与其输出电流成比例的均流总线电压，而从模块以均流总线电压为基准，电压误差依次被整定，通过增加自身的电流输出以校正负载电流分配的不均衡，达到每个模块负载均衡的目的。采用这种方法可以较好地实现冗余，不会因某一个模块的故障而影响整个系统的运行。自动主从法以其均流精度高，负载调整率高，动态响应好，可实现冗余等技术特点，越来越受到广泛应用。

3 支持自动主从均流法均流控制IC的功能介绍

以下主要介绍采用自动主从均流法设计并联电源系统的方法，此法基于均流控制器L6615D。其为一款用于高、低电位端负载电流检测的均流控制集成电路芯片。该芯片是一款工作于主/从均流控制方式的集成电路，具有完全满足远程输出电压检测、失调电流小、工作电压范围宽等优点。内部有多个精密运算放大器组成，如输出电流检测放大器、误差放大器、调整放大器、均流驱动放大器等，如图2。随着电源的发展，均流控制芯片也有较大的改进。L6615D是ST 公司推出的负载分配控制器。

L6615D 的功能是驱动共享到总线一个与主输出电流成比例的电压，该主输出电流是由并联电源提供的输出电流中最高的，对应的电源模块成为主模块。共享总线动态与电源输出电压无关，仅受设备电源电压(Vcc)的钳制。其他并联电源模块，成为从模块，其输出电压由ADJ 引脚进行调整，使他们可以支持负载电流。从模块作为电流控制的电流源工作。

此外，并联供应体系结构允许实现冗余;可以容忍其中一个模块的故障，直到剩余电源的能力足以提供所需的负载电流。

IC 控制器L6615D 通过添加外部组件，实现分布式电源系统中并行、独立的电源模块的负载共享。电流共享是通过所有平行模块的普通单线连接(共享总线)来实现的。

L6615D 均流控制器，SO8 表贴封装，适用于PCB 表贴工艺，共8 个引脚，引脚功能介绍如下（结合图2）：

CS-：电流感应放大器的输入；它通过一个电阻RG2连接感应电阻的负端。

CS+：电流感知放大器的输入；它通过一个电阻RG1连接感应电阻的正极：它的值定义了ICGA和VSENSE之间的跨导增益(RG1与RG2值相同)。

ADJ：调节放大器输出；它连接电源模块的输出正感应端，同时通过电阻RADJ连接电源系统的负载（+OUT）。调整放大器输出的误差信号用于驱动缓冲三极管。误差电压用来调整模块电源的输出电压，以平衡所有并联模块电源的负载电流，这是通过控制器内置的调整放大器和用于调节的缓冲三极管和下拉电阻来实现的。通过误差信号IADJ改变RADJ上的电压来调节模块电源的输出电压， 从而实现模块电源间的均流。

COM：电流共享误差放大器的输出和ADJ 放大器的输入。有典型用法是位于该引脚和接地之间加一个补偿网络。内部地最大电压被钳位在1.5V (典型值)。

SН：均流总线引脚。在从模块工作时时，该引脚作为共享总线的正输入。在主模块工作时，它驱动共享总线到一个与负载电流成比例的电压。共享总线连接所有并行模块的SН 引脚。该引脚和GND 之间的电容可以有效地降低共享总线上的噪声。

CGA：电流增益调整器；电流感应放大器输出。连接在该引脚和GND 之间的电阻定义了共享总线上的最大电压并设置了电流共享系统的增益。

VCC：控制器的供电电压。

GND：输出地。

4 基于L6615D的典型应用电路及各关键单元原理

4.1 L6615D典型应用电路

典型的应用如图3 所示，为输出正高测感应连接应用图，N 个并联电源模块(1 到N)：每个模块必包含4 个引脚：2 个是电源输出(+OUT， OUT)，2 个时遥感信号(+ OUT_S ，-OUT_S)。

在电源线上放置感测电阻RSENSE (用于感应电流)和防倒灌冗余保护二极管V(为了避免任意一个模块的故障导致负载短路)。

L6615D 实现自动主从电流共享架构:每个电源模块与一个L6615D 相关联，所有这些均流控制器的均流总线相互连接，回线为公共地线。

为了配置负载均流控制器，图3 中外部元件的参数根据公式来设置。4.2 和4.3 详细介绍了电路中几个关键部分工作原理。

4.2 电流感应部分

串联在输出正的感应电阻RSENSE用于产生电压降，其与负载电流成比例，由L6615D 的电流感应放大器测量，L6615D 的输入引脚（引脚2 和3）通过两个相同的电阻（RG1和RG2）与RSENSE 连接。图2 中的电流感应放大器CSA 由两个部分组成，详见图4，一个负责高侧感测，另一个负责低侧感测。内部比较器根据CS+引脚处的电压激活相应的部分，如果该电压高于典型值1.6V，则高侧感应部分将被激活（图4a），否则低侧感应部分将会被激活（图4b）。简单起见，考虑RG1=RG2=RG。

由于感应放大器输入端存在电压降IOUT*RSENSE，其输出将被电流镜像为：a）高侧感应时CS+引脚下沉电流（忽略输入偏置电流，没有电流流过CS-引脚）；b）低侧感应时CS 引脚的源电流（忽略输入偏置电流，没有电流流过CS-引脚）。

在闭环条件下：

（ICS+在高侧，ICS-在低侧）然后被内部镜像，并发送到CGA引脚，导致RCGA 外部电阻下降，两个内部缓冲区传输VCGA信号至共享引脚上，所以：

图4

L6615D 的VCC 的值限制了CGA 和SН 引脚的高电压，独立于当前感应引脚的电压。

实际电路中可以将两个小容量的电容器连接在电流感应引脚和接地之间，用来滤除电流感应放大器输入端的信号的噪声。

4.3 均流驱动部分，误差放大器和调整放大器

参见图4，电流感应放大器（CGA 引脚）的输出与均流驱动放大器（SН 引脚）的输出之间的增益典型值为1，因此，对于主电源模块，VCGA=VSН；均流总线上的电压由主电源模块提供。在从电源模块中，当VCGA（从级）< VCGA（主级）时，均流驱动放大器输出端的二极管（见图4）将该放大器的输出与均流总线隔离。

均流感应放大器（SSA）读取总线电压，将其输出的信号传输到误差放大器的同相输入端，并与CGA 电压进行比较。

当控制器L6615D 作为系统的主模块的主控制器时，E/A 输入之间的电压差为零。为了保证在这种情况下输出低电平，误差放大器的反相输入端串联插入一个40mV 的偏移量。而在从电源模块中，输入电压差正比于主负载电流和从负载电流的差。跨导E/A 将输入的电压差Δ V 转换为等效的电流：IOUT= GMΔV，流动在COMP 引脚和地之间的补偿网络。

E/A 输出电压驱动调整放大器从连接到输出电压的ADJ 引脚通过一个小电阻沿感应路径来衰减电流。被ADJ 引脚衰减的电流偏离了从电源模块的反馈路径，阻止其增加占空比。

5 应用L6615D的并联均流电路设计实例

5.1 电路设计

以2 台额定输入电压28V、输出直流电压5V、并联电源系统的输出负载为60A，即每路输出承担负载为电流30A 的电源模块并联工作为例，应用L6615D 均流控制器进行设计，电路如图5 所示。电源模块设计的反馈电路参数固定不可变，采用的电源线高测感应的方案，设计中L6615D 的工作电压和冗余保护电路需另设计供电电路提供，或由电源系统中的其他电源模块提供，典型应用电路图3 中的ORing 二极管选择以MOSFET 场效应管为关键器件的冗余保护电路替代。即，此设计可分为均流电路和冗余保护电路两部分；均流电路需确定电源模块和L6615D 的外围电路参数，须准确设定电流检测电阻RSENSE、调整电阻RADJ、增益调节电阻RCGA，补偿电容CC、补偿电阻RC；冗余保护电路需确定MOSFET 场效应管型号及其驱动电路参数。

5.2 均流电路各参数的确定

5.2.1 电流检测电阻

由于检测电阻与电源模块正感应端+OUT_s 端串联， 其压降VSENSE必须小于模块电压最大调节范围， 即VSENSE必须远小于△VSENSE(max)， 否则芯片没有足够的空间调节模块输出电压。

式中，△VSENSE(max)为电源模块输出电压最大调节范围，△VSENSE(max)=0.05V，IOUT(max)=30A，RSENSE理论计算值为1.6mΩ。文中提到过：在一个由两个并联的冗余电源(N=M=1)组成的系统中，每个电源模块要考虑能够维持整个负载电流的大小（正常情况下，它只携带一半的负载电流）。因此必须考虑整个负载电流来调整感应电阻的规格。

式中IOUT(max)为60A，PRSENSE需选择大于3W 的电阻。考虑降额，图中RSENSE选取3 个4mΩ/2W 的功率电阻并联使用。

根据L6615D 芯片资料的公式：RG=(1/2)(VOUT/10mA–40)，选择RG1=RG2=500Ω。

根据L6615D 芯片资料的公式，RADJ的最小值为：

其中IADJ(max)取8mA，计算得RADJ(min)=6.2Ω，实际应用时RADJ取值100Ω。

5.2.2 电流检测放大器放大倍数

连接在电流检测放大器输出短的CGA 引脚和GND 之间的电阻RCGA 用于定义共享总线上的最大电压并设置电流共享部分的增益。RCGA/RG(从传感部分到均流总线的增益)的比值可以计算为：

其中VSН(MAX)由实际应用来定义，按电特性规定VSН(MAX)大于（VCC-2.2V）， 图 中VCC 为12V，VSН(MAX)取10V，RG=500Ω, VSENSE(MAX)=0.05V,计算得RCGA=100kΩ，实际应用时可微调。

5.2.3 误差放大器补偿参数

确定连接在COMP 端和GND 之间的补偿网络的参数，即确定CC和RC的值，RC用于增加负载共享回路的相位裕度，这两个元件值时均流控制电路中误差放大器的补偿元件，其取值关系电源系统的稳定性，合理的设置补偿网络的参数可避免均流控制环与电压控制环之间相互干扰。

根据L6615D 芯片资料公式，有：

式中，GM为误差放大器的跨导，按均流IC 电特性表设定，典型值为4ms；fC(SН)为均流环路的交越频率；RLOAD为负载电阻值，RLOAD=VOUT/IOUT(max)；APWRfC（SН）为fC（SН）频率下电压环的增益，在电源模块和感应端间接一个测量信号可测得；RA典型设计值按均流IC 电特性表中为100Ω；RSENSE=(4/3)mΩ；RCGA=100kΩ；RG=500Ω；RADJ=100Ω；设计中，设电源模块的电压环的交越频率为400Нz，增益为10dB，则均流环的交越频率选定40Нz，代入式（8），得：CC=3.18μF，实取3.3μF。将CC的值代入式（9），得：RC=1.2kΩ，实取1kΩ。CC和RC也可根据实际电路进行调整。

5.3 冗余保护电路设计

图5 中冗余保护电路包括MOSFET、MOSFET 驱动器、电阻ROV、RUV、RSET、R2、电容C4、C5、C6，冗余保护电路经过对N 沟道场效应管MOSFET 的导通电阻RDS(ON)进行采样，产生具有相应逻辑的电平准确地驱动MOSFET 的栅极，控制其导通或关断，其体二极管是反向偏压的，所以它不导电。并联的某个电源故障时将电源输出与负载隔离，防止电流反灌给无故障的电源，避免因某一个电源的故障而影响整个系统的运行。同时对于热插拔、热互换产生的浪涌电流也可以起到保护系统的作用。

与典型应用电路图3 中使用二极管的解决方案相比，OR FET大大降低了功耗，下面的公式可以清楚的说明这一点，式中，VF是二极管的正向压降。

5.4 实测结果

采用上述均流和冗余电路设计的产品，应能达到引言中均流措施的主要目的：

（1）当输入电压或负载变化时，保持电源的输出电压稳定，并具有良好的负载瞬态响应特性。

（2）使每个电源模块承受的输出电流均摊。

（3）使均流与冗余保护电流技术结合。试验结果如下：

1.当输入电压变化时，采取均流措施前后每台电源模块和并联后模

块的输出电压对比情况见表1。从数据可见，并联后,当输出电压从16V 到40V 变化时，输出电压维持稳定性，变化量在10mV以内。

经测：并联前后，输出从50%负载到100%负载瞬变时，输出电压约从330mV 变到380mV，变化很小，仍能满足小于10%Vo 的基本要求；输出电压的恢复时间变化不大，并联前后均为微秒级。

表1：并联前后电源模块的输出电压对比情况

表2：并联的电源模块承担的输出电流情况

2.并联的2 个电源模块承担的输出电流测试情况见表2。1#模块和2#模块并联的功率分配精度计算公式为试验结果表明，采用L6615D 设计的均流控制电路后，模块能均衡地分担负载电流，分配精度较小，满足国标要求。

3.均流电路与冗余保护技术结合。经过过流等试验，冗余保护电路自动保护电源模块，故障消除时，自动恢复正常。证明所设计的冗余保护电路可有效的防止并联系统中某个电源模块故障或负载短路时的电流反灌。同时，由本文2.4 可见，采用2 个并联的MOSFET 作为冗余管，型号为BSC011N03LS，其导通电阻只有1.1 mΩ，2 个并联导通电阻为0.55 mΩ，对电源效率影响小。

6 结论

本文介绍了基于均流控制IC L6615D 的均流电路和冗余电路的设计方法，并进行了实例验证，设计实例的验证结果证明，该电源并联电路满足DC/DC 变换器模块并联的基本要求。该电路已成功应用到某电源系统中，证明了电路的工程实用性。