DC-DC模块串并联应用及其电源保护技术

　　1、前言

　　对当今新型的DC-DC直流变换模块只是在—个CMOS芯片上就可集成了高频功率MOSFET、PWM控制器、故障保护及其它控制电路,有效地节约了成本.其性能包括短路及开环保护、可编程的限流点、输入电压欠/过压保护、迟滞热关断、软启动、反馈补偿及遥控开/关机.与传统的分立设计相比,该Switch芯片可节省20多个外围元件,极大地节省了电路板空间及成本.实现了体积小、重量轻、低成本、高效率、能适合各种应用的DC-DC电源转换设计.而随着各类工控与便携设备发展变化与需求,对电源功率的要求也增多,而DC-DC模块串并联应用是最佳选择,伴随的是到模块电源到的保护功能也显得格外重要,为此本文将对其应用与实例与技术作研讨.

　　2、DC-DC模块的串并联应用

　　2.1多路输出模块是常用的选择

　　多路输出的模块在选择和应用时要了解各路输出之间的交互调节特性.多路输出的模块有几种.其一,各路都是稳压的且各路均可任意加载,其特性最好,其二,主路输出稳压,其它各路跟随,付路的负载调整率较差且与主路负载有很大关系,如果主路载轻时,付路加载时可能输出电压会很低;其三,不分主、付路,各路的加载特性相同且都不是很好,但各路可随意加载,如果其中一路空或载很轻时其输出电压会比其它各路都高,加载最重的输出电压最低.当然首要的是应仔细阅读技术手册.

　　2.2 DC-DC模块串联应用

　　电源模块的输出电压的串联使用是可能的,最多能串联几台运行要看具体的型号和应用.为了获得高输出电压,两个模块的串联运行如图1所示.每个模块的输出并联了一个反向二极管,它能使反向电压旁路,在上电启动时不会由于启动时间不同而相互影响.此二极管应选肖特基二极管,其反压应大于总输出电压,电流应大于两倍额定输出电流.

　　为获得高输出电压,同一模块的双路输出的串联如图2所示.如果串联运行时使用模块的正负输出,且正电源侧的负载和负电源侧的负载完全分离,则就不需加上述二极管,如图3.此应用类似组成正负电源系统.在串联应用时要使两模块的性能尽量匹配,特别是上电启动特性和一些保护特性.建议尽量使用同一型号的模块.

　　2.3 DC-DC模块并联使用

　　电源模块的并联有两方面的作用,一是增加输出功率,二是增加电源系统的可靠性.增加输出功率的使用,一般情况下是单个模块的输出功率不能满足要求,因此需要两个或多个模块并联,这样就要求各模块之间的均流要好,这种均流不能单靠输出端并联或把输出电压调为一致实现,因为模块的输出阻抗、温漂等都不相同,会使负载不均衡.这种并联需要模块具有此项功能才能实现,如BCT公司 的300W和600W带PC端子和CS端子的模块,有PC端子的可直接并联,PC端连在一起,有CS端子的模块需外加并联均流电路.使用者在使用时须注意,输出电路形式为自驱同步整流电路的,输出端不能直接并联.

　　为了增加电源系统可靠性的并联,我们称之为热备份使用,或冗余并联,如图4.此种并联的要求是,每一个模块都可单独提供100%的负载电流, 因此并联使用时不存在均流的要求,两者都在提供电流,相互之间互为热备份.

　　2.31新型DC-DC模块的并联输出应用举例

　　为此以美国Vicor公司的300V输入系列高密度DC-DC中功率微型模块为典型例作应用说明.

　　*特征

　　该300V输入系列高密度DC-DC模块有7种中功率级的型号,其中两个50W模块的输出电压为3.3V及5V;75W模块的输出电压分别为12V、15V、24V、28V及48V模块.很适合离线功率系统、工业及流程控制、分布式电源、医疗、自动测试设备、通讯、国防及航空航天等应用.

　　这些300V输入微型模块型号为功率较低的应用提供了具成本益的解决方案.这些转换器的标称值是300V,输入范围从180V至375V,功率密度达90W/in3,效率达90%.模块均符合RoHS规格,产品面积57.9 x 36.8 x 12.7mm及基板上高度为10.9mm.

　　*并联输出应用设计要点

　　Vicor全型、小型和微型模块可以并联多只同规格转换器模块,以扩大输出功率.它们以阵列内的模块以并联信号来互相传递讯息,令各模块的开关频率同步,达至均流.在并联阵列内,会用PR引脚的功能,只容许一个模块变为驱动器,其余模块自动变为倍增器.连接PR脚应谨慎适当.如需要并联四个或以上的转换器,或阵列需要容错﹑冗余,可使用Vicor的 PR变压器.把SC引脚连到感应脚便可把模块设定为倍增器,这在需要宽度调节的应用特别适合,只需微调驱动器模块,便可调高或调低整个阵列的电压.在冗余阵列中所有电感应脚必须连接到输出二极管(阴极)的共通点.

　　图5 为300V输入微型中功率模块并并联输出应用连接图.图中连接注意:在设计+Out及-Out之母线时,应考虑避免或减少从模块输出至负载间之寄生阻抗;所有模块之+S脚应连接至正母线上的一共通点.-S脚则连接至负母线上的同一点;设计者可把部分模块之SC脚连接至-S脚,使其成为辅从模块;可用或门二极管串联每个模块之+Out脚,以达至容错之效果

　　2.32并联输出在电动汽车与直升飞机模拟飞行器显示屏上的应用

　　3.31用于电动汽车

　　这个项目是并联两只DC-DC模块,组成均流和电池充电器电路,从高压蓄电池取电,转压为12V为Smart Car供电.这电动汽车并非电气油发动机驱动,它是透过一类放置在车厢地板上绝缘箱内的316Vdc电池,经过精密的电子发动机驱动电动汽车.简而言之,Vicor模块用作固态发电,虽然车上已有一个12V充电池,供应最高功率和紧急后备电源,而两类Vicor模块则用作为车内照明、指示灯、挡风玻璃水拔、标板仪及车内音响娱乐设备供电,以保证12V电波不会过劳,延长电池寿命.

　　3.32用于直升飞机模拟飞行器显示屏

　　仿真飞行器是训练飞行员的重要仪器,它可帮助飞行员体验最接近真实飞行的情况.这个客户的主要业务设计生产高解像显示系统,应用范围包括仿真器、指挥与控制及虚拟现实等系统.显示仪基本的特征是高解像、宽广视野、亮度和色彩对比适中,以满足最严格的飞行模拟训练,如训练飞行员登陆及起飞,复杂的战斗,如空对空及空对地.