引言

模塊化開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、高可靠設(shè)備、科研設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。中電華星作為國(guó)內(nèi)目前銷(xiāo)售規(guī)模較大的模塊化電源供應(yīng)商，在模塊應(yīng)用方面擁有業(yè)內(nèi)全面、專(zhuān)業(yè)、實(shí)用的應(yīng)用方案。而模塊電源的組合應(yīng)用為最常見(jiàn)的電源應(yīng)用方案，在各個(gè)行業(yè)都有廣泛的需求。

采用模塊化電源可以組合成為分布式供電系統(tǒng)，成為N+M的冗余電源系統(tǒng)．實(shí)現(xiàn)基于并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展和基于串聯(lián)方式的電壓擴(kuò)展。

1 模塊化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的組合特性

在此，中電華星的電源工程師以AC／DC電源為例，研究單個(gè)開(kāi)關(guān)電源的組合特性。

1．1 模塊化AC／DC穩(wěn)壓電源的主要特性

模塊化AC／DC穩(wěn)壓電源特性一般包括額定輸出電壓、紋波噪聲、輸入調(diào)整率、輸出調(diào)整率、穩(wěn)定度、過(guò)載保護(hù)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等諸多性能。

額定輸出電壓

輸出電壓準(zhǔn)確度指開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)的直流輸出電壓的波動(dòng)范圍，通常不超過(guò)額定輸出上下5％的范圍。

輸入調(diào)整率

輸入調(diào)整率源自電源在帶動(dòng)負(fù)載時(shí)。電源的輸出電壓因輸入電壓波動(dòng)所引起的變化。在規(guī)定的輸入電壓變化范圍內(nèi)一般不大于5％。開(kāi)關(guān)電源輸入調(diào)整率為

式中：△U為輸出電壓的變化量，△U=U-U1；U為空載電壓；U1為輸入電壓在規(guī)定要求范圍變化時(shí)的額定負(fù)載輸出電壓。

輸出調(diào)整率

電源輸出側(cè)負(fù)載的變化會(huì)引起電源輸出的變化，開(kāi)關(guān)電源的性能越好，由負(fù)載的變化所引起的輸出電壓變化越小，通常開(kāi)關(guān)電源的輸出調(diào)整率指標(biāo)為3％一5％。其表達(dá)式為

式中：U1為負(fù)載變化時(shí)的輸出電壓。

1．2 模塊化AC／DC穩(wěn)壓電源的組合特性

模塊化的直流穩(wěn)壓電源能夠根據(jù)負(fù)載需要進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)組合，可以避免設(shè)計(jì)與制作多種標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓電源。

1)并聯(lián)組合常用于增大供電電流，理想情況下并聯(lián)后的特性為

額定供電電壓及總電流

輸入調(diào)整率

輸出調(diào)整率

2)串聯(lián)組合常用于提高供電電壓，理想情況下串聯(lián)后的特性為

供電電壓及總電流

輸人調(diào)整率

輸出調(diào)整率

3)混聯(lián)組合常用于滿(mǎn)足同時(shí)增大供電電流、提高供電電壓的電源系統(tǒng)需求。理想情況下混聯(lián)后的特性為

供電電壓及總電流

2 試驗(yàn)研究

2．1 樣本電路

樣本電路選擇基于VIPER22A驅(qū)動(dòng)芯片的220 VAC／5 V DC單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路 。該電路輸入電壓范圍寬，可以保證輸入電網(wǎng)電壓在較寬的范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源仍然可靠、穩(wěn)定工作。在有效負(fù)載范圍內(nèi)。輸出電壓可保持在在4．8～5．2 V，紋波噪聲不大于150 mV。其電路原理如圖1所示。

2．2 占空比計(jì)算

所研究的反激式開(kāi)關(guān)電源的交流電源輸入范圍為100～225 V，經(jīng)全橋整流、濾波后得到直流電壓，其較大值、較小值分別為286 V和147 V。大占空比為

式中： Vor為次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓，可選135 V；Vds 為VIPER22A的通態(tài)電壓，選擇5 V。代人式(13)，可得

2．3 試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)儀器

測(cè)試在常溫22℃下進(jìn)行，試驗(yàn)原理如圖2所示。使用以下儀器：Tektronix TDS 1002雙通道示波器，觀察開(kāi)關(guān)電源的紋波大小；FLUKE DUAI 5位半萬(wàn)用表，測(cè)量開(kāi)關(guān)電源在不同情況下的輸出電壓：91L16交流自耦調(diào)壓器，改變開(kāi)關(guān)電源的交流輸入電壓以測(cè)試輸入調(diào)整率。

2．4 單塊開(kāi)關(guān)電源特性試驗(yàn)

2．4．1 穩(wěn)壓輸出

測(cè)試時(shí)，AC／DC開(kāi)關(guān)電源電路交流輸人端接220 V市電．分別測(cè)試編號(hào)1～3的AC／DC開(kāi)關(guān)電源電路的空載輸出，如表l所示。

單塊開(kāi)關(guān)電源的電源準(zhǔn)確度均>99％ 。紋波系數(shù)不高于1％，該開(kāi)關(guān)電源輸出精度符合要求，可以進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)測(cè)試。

2．4．2 輸入調(diào)整率

測(cè)試時(shí)，AC／DC開(kāi)關(guān)電源電路交流輸入端接交流自耦調(diào)壓器，輸出端接5Ω額定負(fù)載，多次調(diào)節(jié)交流自耦調(diào)壓器的輸出，分別測(cè)試編號(hào)1～3的AC／DC開(kāi)關(guān)電源電路的輸出電壓，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

2．4．3 輸出調(diào)整率

測(cè)試時(shí)，AC／DC開(kāi)關(guān)電源電路交流輸入端接220 V市電，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)電源電路輸出端的負(fù)載，分別測(cè)試編號(hào)1~3的AC／DC開(kāi)關(guān)電源電路。在不同負(fù)載情況下的輸出電壓，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

多個(gè)開(kāi)關(guān)電源單體經(jīng)串聯(lián)組合后。性能相對(duì)于開(kāi)關(guān)電源單體而言，會(huì)產(chǎn)生一定的變化。在此，基于單塊開(kāi)關(guān)電源的特性分析，測(cè)試不同數(shù)量開(kāi)關(guān)電源單體的串聯(lián)組合特性，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)總電壓與分壓情況(負(fù)載15Ω)

開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)后。測(cè)試結(jié)果顯示較之開(kāi)關(guān)電源單體，具有更好的輸入調(diào)整，如表5所示。

開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)后，組合電源系統(tǒng)在獲得電壓擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，具有更優(yōu)的輸入調(diào)整率和輸出調(diào)整率。

2．6 并聯(lián)組合

開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)組合對(duì)開(kāi)關(guān)電源單體的性能要求較高，要求開(kāi)關(guān)電源單體問(wèn)的輸出特性保持較高的一致性。

性能一致的電源單體通過(guò)并聯(lián)組合向負(fù)載供電時(shí)，在沒(méi)有主動(dòng)配流技術(shù)支撐的情況下，一旦有電源單體的帶負(fù)載能力達(dá)到極限而失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組合電源系統(tǒng)的失效?；诖耍謩e測(cè)試了不同數(shù)量開(kāi)關(guān)電源單體的并聯(lián)組合特性，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)總電流與分流情況(負(fù)載5Ω)：

開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)后輸出調(diào)整率的改善效果更加明顯。相同負(fù)載情況下，當(dāng)3塊開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)時(shí)，3塊開(kāi)關(guān)電源近似均勻分流，弱化了開(kāi)關(guān)電源單體間性能的差異性。開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)后，輸入調(diào)整率基本保持不變。較之單塊開(kāi)關(guān)電源具有更好的輸入調(diào)整率，如表7所示。

開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)后，電源系統(tǒng)具有更優(yōu)的輸入輸出特性：而且并聯(lián)的電源單體數(shù)量越多．分流越均勻。

2．7 混聯(lián)組合

混聯(lián)組合是指分布式電源系統(tǒng)同時(shí)存在串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。有必要研究此類(lèi)更加復(fù)雜的組合電源的特性。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為2個(gè)開(kāi)關(guān)電源單體并聯(lián)后再串聯(lián)第3個(gè)開(kāi)關(guān)電源單體(即編號(hào)1和3并聯(lián)。再與編號(hào)2串聯(lián))。測(cè)試結(jié)果如表8、表9所示。

混聯(lián)分壓、分流情況：

多個(gè)開(kāi)關(guān)電源單體混聯(lián)后，相對(duì)于單一的串聯(lián)或并聯(lián)組合電源系統(tǒng)，具有更優(yōu)的分流、分壓特性。

3 結(jié)語(yǔ)

據(jù)中電華星電源工程師介紹，本組合模塊電源系統(tǒng)可用于野外作業(yè)、海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、飛行器產(chǎn)品等一類(lèi)特殊環(huán)境下分布式組合供電系統(tǒng)。以飛機(jī)電源為例，其供電系統(tǒng)常采用模塊化電源組合供電，為飛機(jī)的推進(jìn)、控制等系統(tǒng)提供所需能量，模塊化設(shè)計(jì)與按需組合還具有減少成本，縮短研制周期，維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著空間科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，民用、高可靠用、無(wú)人機(jī)等飛行器均需要可靠、安全、一致性高的電源模塊。研究模塊化電源的組合特性，可為模塊化電源設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化提供參考依據(jù)。更多電源解決方案請(qǐng)咨詢(xún)中電華星電源工程師。