模塊電源陣列兩種串聯電壓調整電路的比較

1 常規串聯調壓電路及其誤差分析

1．1 VICOR模塊電壓調整

VICOR公司模塊提供電壓調整端，調整方法相似．第一代模塊的電壓調整范圍為額定電壓輸出值的50％～110％，第二代模塊的電壓調整范圍為標稱電壓輸出值的10％～110％．

第二代模塊內部誤差放大器的連接形式如圖1所示．其SC為調整端，連接到誤差放大器的同相輸人端，模塊內部提供一個1．23 V的基準電壓，通過一個1 kQ電阻連接到誤差放大器的同相輸人端，反相輸入端連接模塊的實際輸出值的檢測端，改變SC端對一s端的電壓即可調整輸出電壓，調整后模塊實際輸出電壓為:

式中，VNOM為模塊標稱輸出電壓；Vref為在SC端對-S端所加的控制電壓，其中0V

1．2 常規電路

常規電路形式如圖2所示，Q11為執行器，實質是一可變電阻，集電極接U2的SC端，發射極接U2的-OUT端．改變Q11的基極所加電流，即可改變Q11的導通特性，進而可以改變U2的SC端對-OUT端的電壓，由式(1)可知，U2的輸出電壓可以調整．圖2中，U1為主模塊，U2為串聯模塊，輸出電壓V0為U1和U2輸出電壓的和．當Vref減小時，U1輸出電壓減小，R11中瞬時電流不變，該電流分兩路，一路流向R12，一路注入Q11的基極，由于模塊U1輸出電壓的下降，使R12中電流減小，注入Q11基極的電流增大，Q11等效電阻減小，導致U2的輸出電壓也下降，實現了兩個串聯模塊的電壓跟隨調整，反之亦然．

該電路的優點是所用元件少、成本低廉，缺點是跟隨精度差．實際應用中，實現多個模塊串聯輸出調壓時，跟隨誤差較大．筆者在實現6個5 V、400W模塊串聯跟隨調壓的實際應用中發現，若設定Vref使U1輸出電壓為2．5 V，則U2實際跟隨電壓為2．8 V，后一個模塊的實際輸出較前一個模塊有0．3 V的誤差．直接后果為整體電壓調節范圍的減小，并造成每個模塊在實際工作中輸出功率的不均衡．因為是串聯工作，在輸出同樣電流的情況下，端電壓低的電路輸出功率小，端電壓高的輸出功率大．這就直接影響到電源的可靠性．

1．3 誤差原因分析和改進措施

實際測量模塊的階躍響應曲線，其傳遞函數可近似為

式中，T=0．037 s為慣性時間常數，S為拉氏算子．跟隨系統的開環傳遞函數為:

式中，Kp為控制器的比例系數．穩態誤差為

式中

減小這個誤差的措施有：：①提高K，這可以通過提高Q11的電流放大倍數來實現．筆者將Q11接成達林頓形式，以增加Q11的電流放大倍數．試驗證明，可以減小誤差，增大電壓的調整范圍，但工作情況不穩定，原因是輕載和重載電壓調整范圍不同，造成控制的不定性，使電路調整困難．②改變控制規律，采用Pl調節器．由式(4)可知，造成誤差的原因是為Go(s)為0型，若提高系統的型次，由0型提高為1型，理論上可消除系統跟隨位置輸入信號的ess．

2.采用PI調節的實現方案

2．1 電路形式

PI調節器的電路形式如圖3所示，U1、U2模塊串聯連接，控制器由運算放大器O1接成PI形式，O1的同相端檢測U2的實際輸出電壓，反相端檢測兩模塊串聯后的實際輸出電壓．調整要點：當給定Vref=1．23 V，使U1輸出為NNOM，調整R1使U2的輸出也為VNOM即可，調整方便、簡單．

2．2 采用PI調節的優點

應用此電路對6個串聯模塊的電壓調整電路進行改造，改造后當設定Vref，使U1輸出為2．5V(VNOM的50％)時，其它串聯跟隨模塊的實際輸出情況見表1．

輸入指令Vref=2．5 V，使輸出希望值為2．5 V×6=15 V時，常規電路形式調壓實際輸出電壓為19．5 V，誤差為4．5 V，采用PI控制實際輸出電壓為15 V，誤差為0．

6個5 V、400 W 模塊串聯，可設計的最大電壓調整范圍為3～30 V．而常規電路形式調壓，實際輸出電壓范圍7．5～28．9 V，低端電壓拉不下來，高端調不上去．采用PI控制后，電壓調整范圍為3～30 v，可以實現串聯電壓調整無誤差．

3.結論

綜上所述，采用PI調節可以減小ess到0，較好的解決了多個模塊串聯電壓調整的問題，調整容易，各模塊輸出功率均衡，穩定性好．但相對于常規電路形式，所需成本增加．