第一次把兩個相同型號的開關(guān)電源輸出端直接并聯(lián)在一起的時候我真是栽了個小跟頭一塊板卡狂飆到額定電流的90%另一塊基本在空載附近打轉(zhuǎn)。當(dāng)時第一反應(yīng)是“電源壞了”后來才發(fā)現(xiàn)兩個內(nèi)阻、基準(zhǔn)電壓、反饋環(huán)都不可能完全一致的電壓源只要直接掛到同一個母線上就一定會出現(xiàn)“強者愈強、弱者愈弱”的電流分配失衡。這個問題如果不處理并聯(lián)不但拿不到翻倍功率反而會讓模塊提前老化、觸發(fā)過流保護甚至整機系統(tǒng)在熱插拔維修時直接掉鏈子。電源并聯(lián)均流電路本質(zhì)上是給每一個參與并聯(lián)的模塊都加一個“自知之明”的控制機制讓它們知道自己該出多少電流而不是讓負載去“碰運氣”。圍繞這個話題工程上基本形成了四類經(jīng)典方案下垂均流、主從均流、平均電流均流和最大電流自動均流。這篇文章我把這四種方案放在一起硬碰硬比一次從原理、實現(xiàn)、精度、冗余、瞬態(tài)表現(xiàn)到調(diào)試踩坑盡量講透方便你直接照著選型和做實驗。1. 并聯(lián)電源的第一課電壓環(huán)天然排斥“被分走電流”一個開關(guān)電源模塊內(nèi)部最重要的環(huán)路就是電壓反饋環(huán)它拼命把輸出電壓穩(wěn)定在給定值上。問題就出在“穩(wěn)定”兩個字上兩個模塊都在閉環(huán)控制這個電壓當(dāng)一個模塊輸出電壓稍微高一點它就會承擔(dān)更多的負載電流另一個模塊檢測到母線電壓合格就索性穩(wěn)住不動。兩者之間沒有信息交互完全靠輸出特性曲線的交點在“被動工作”。從模型上看每個電源模塊都等效成一個電壓源串一個輸出電阻。這個輸出電阻包括功率MOSFET的導(dǎo)通電阻、電感繞組的直流電阻、采樣電阻、線路壓降以及控制環(huán)路產(chǎn)生的閉環(huán)等效輸出阻抗。并聯(lián)時各模塊電流的分配比例由它們各自的空載電壓差值和等效輸出阻抗決定?？蛰d電壓差越大、等效輸出阻抗越小電流失衡就越嚴重。換句話說雙模塊并聯(lián)不是簡單的“112”更像兩個性格完全不同的人在抬一塊重物誰都不會真正知道對方的肌肉狀態(tài)。均流電路落地時要解決的問題其實只有三個方向一是讓各模塊的輸出電壓隨負載電流做可預(yù)期的調(diào)整二是建立一條通信總線或參考信號讓模塊之間交換電流信息三是處理好故障和熱插拔場景不能讓某個模塊退出時系統(tǒng)跟著崩潰。后面講到的四種方案全部是在這三個方向上取舍。2. 下垂法讓輸出電壓隨著電流往下跌反而最不容易翻車下垂均流是所有均流方案里最原始、也最皮實的一種。它的核心思想并不復(fù)雜人為增加每個模塊的等效輸出電阻讓模塊輸出電流增大時輸出電壓按設(shè)定斜率下降。這樣一來電流多的模塊電壓下降更多電流少的模塊電壓下降較少兩個模塊會自動尋找一個共同輸出電壓工作點在這個點上分配電流。2.1 下垂量的設(shè)計公式假設(shè)一個模塊的空載電壓是 V0等效下垂電阻是 Rd輸出電壓 Vout 和輸出電流 I 滿足Vout V0 - I × Rd當(dāng)兩個模塊并聯(lián)時只要讓它們的 Rd 大小接近空載電壓差 ΔV0 造成的電流差就能被壓到可接受范圍內(nèi)。電流差近似為ΔI ≈ ΔV0 / (Rd1 Rd2)這個公式很有用它直接說明了下垂均流精度的本質(zhì)下垂電阻越大均流效果越好但負載調(diào)整率越差下垂電阻越小電壓穩(wěn)得越好但均流效果越差。工程上一般把滿載下垂量取為輸出電壓的1%到2%。例如12V輸出的模塊滿載時允許掉壓0.15V到0.24V對應(yīng)的 Rd 為7.5mΩ到12mΩ按額定20A計算。2.2 實現(xiàn)方式采樣電阻加運放就能搭起來大多數(shù)實際電路不需要真的在輸出回路串一個功率電阻來做熱損耗那樣效率太低。常用的做法用電流采樣電阻配合精密運放把電流信號線性放大后反向注入到電壓反饋網(wǎng)絡(luò)使參考電壓隨負載下降。等效出來的下垂電阻等于Rd 采樣電阻值 × 電流采樣增益設(shè)計時注意幾個細節(jié)。采樣電阻最好放在輸出正端低邊一側(cè)的分流位置使用開爾文四線接法避免把大電流路徑上的壓降誤差帶進采樣信號。運放需要選擇低溫漂、低失調(diào)的型號否則溫度變了下垂斜率也會跟著變。注入點盡量選在誤差放大器類似參考端的位置這樣輸出電壓的調(diào)節(jié)不會占用太多動態(tài)范圍。2.3 下垂法的四個特點下垂法最大的優(yōu)點是沒有模塊間通信線不需要額外的均流總線任何模塊隨時可以插拔不會影響整個系統(tǒng)的正常工作。它瞬態(tài)響應(yīng)也好因為本質(zhì)上只是輸出電壓降了一點沒有復(fù)雜的校正動作。但它的問題同樣明顯。第一負載調(diào)整率變差滿載電壓明顯低于空載電壓對精度要求高的負載不適合。第二均流精度受限一般只能做到額定電流差的10%到20%而且輕載時更容易失衡。第三空載電壓和采樣電阻參數(shù)受溫度影響后會使低溫下良好、高溫下失衡。第四N1冗余設(shè)計時下垂量必須同時兼顧滿載降幅與均流誤差折中很頭疼。2.4 什么場景適合下垂均流如果項目對電壓精度要求不太苛刻但對可靠性要求很高下垂均流是首選。通信電源、工業(yè)控制電源、LED驅(qū)動電源這些場合經(jīng)常看到它。另外很多電源控制芯片本身內(nèi)置了下垂功能比如給DDR內(nèi)存供電的電源模塊、部分降壓控制器只要外接一顆采樣電阻把下垂量設(shè)定好并聯(lián)時省去了額外設(shè)計控制環(huán)路的麻煩。3. 主從法管得最狠但這是單點游戲的模式主從均流的思路是設(shè)定一個主模塊讓它全權(quán)負責(zé)輸出電壓控制其余從模塊放棄自己的電壓基準(zhǔn)轉(zhuǎn)而跟隨主模塊發(fā)出來的電流參考信號強制自己輸出和主模塊相同的電流。從電路骨相上講主模塊工作于恒壓模式從模塊工作于電流跟隨模式。3.1 主從均流的信號鏈路主模塊內(nèi)部有電流檢測電路把當(dāng)前輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號后通過均流參考線發(fā)送給所有從模塊。從模塊的均流誤差放大器把本地電流和參考信號做差誤差輸出再去微調(diào)從模塊的電壓反饋基準(zhǔn)。只要誤差放大器增益足夠大穩(wěn)態(tài)時從模塊電流就會基本等于主模塊電流。這個方案看起來簡單直接但有一個隱藏問題模塊之間的動態(tài)響應(yīng)必須接近。如果主模塊和從模塊開關(guān)頻率不同、功率等級不同、補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)差異較大那么從模塊在快速跟隨主模塊電流時很容易出現(xiàn)振蕩。工程上做多模塊主從并機時通常會把所有模塊的開關(guān)頻率同步在一個時鐘上減小環(huán)路交互帶來的拍頻噪聲。3.2 主從法的最難纏問題單點故障主從法最大的風(fēng)險在主模塊身上。主模塊一旦損壞退出整個系統(tǒng)的電壓基準(zhǔn)就丟失了。從模塊的誤差放大器會滿幅輸出要么把輸出電壓推高觸發(fā)過壓保護要么強制輸出最大電流觸發(fā)過流保護。為了避免這種情況必須額外加邏輯判斷電路檢測參考信號丟失后自動把某個從模塊切換成主模塊。這套切換邏輯增加了系統(tǒng)復(fù)雜度也增加了響應(yīng)時間上的不確定性。另一個不可忽視的問題是主模塊和從模塊的熱應(yīng)力嚴重不均衡。主模塊在正常工作中承擔(dān)著全部輸出電壓調(diào)節(jié)任務(wù)瞬態(tài)時電流更大、功耗更高從模塊長期跟著跑基本處于“工具人”狀態(tài)。如果模塊布局的散熱條件不一致主模塊溫度會明顯高于從模塊壽命問題隨之而來。3.3 這種方案還能用到哪去主從法在精度要求很高的實驗室可調(diào)電源、電池化成電源以及功率等級差距懸殊的混合并聯(lián)場合還有用。例如一臺大功率主電源帶幾臺小功率從電源讓從電源按比例跟隨主電源電流它可以實現(xiàn)大范圍動態(tài)功率輸出精度也做得比較高。4. 平均電流均流法眾多模塊共用一條“平均總線”平均電流均流法在工業(yè)電源領(lǐng)域非常常見幾乎所有專門做并機均流的控制芯片都是在講這個故事。它等于把主從法里的“單一主模塊”換成了一個共享的平均參考每個模塊既是參與者也是被控對象沒有哪個模塊能獨攬大局。4.1 平均總線的構(gòu)建方式每個模塊先把本地電流通過采樣電阻和放大器轉(zhuǎn)換成一個受控電流源信號再經(jīng)過一個隔離電阻Rshare連接到公共均流總線SH。由于所有模塊的電流信號都匯聚到了同一條總線上總線電壓最終代表的是各模塊輸出電流的平均值ISH ≈ (I1 I2 ... IN) / N每個模塊比較自己的本地電流和總線平均電壓如果有偏差就把偏差放大后去微調(diào)本模塊的電壓基準(zhǔn)讓本地電流向平均值靠攏。最終所有模塊的電流會收斂到接近一致。這里要注意模塊和總線之間的那個Rshare不能省。它起到兩個作用一是隔離單個模塊故障對總線的影響二是讓所有模塊的信號源能在線性區(qū)域內(nèi)工作。取值一般在幾kΩ到幾十kΩ太大會降低均流精度太小則總線對地噪聲容易串?dāng)_進模塊。4.2 環(huán)路設(shè)計的關(guān)鍵帶寬不能太高平均電流均流法工程上最難的不是原理而是環(huán)路穩(wěn)定性。均流環(huán)路嵌套在電壓環(huán)路外面如果均流環(huán)帶寬太高會和電壓環(huán)發(fā)生相互作用出現(xiàn)振蕩甚至嘯叫。一般來說均流環(huán)路的閉環(huán)帶寬應(yīng)取開關(guān)頻率的1/20到1/10例如開關(guān)頻率200kHz的電源均流環(huán)帶寬設(shè)計在10kHz以內(nèi)比較保險。芯片方案上UC3907、UCC39002這類專用均流控制器做了不少集成工作把差分電流檢測、均流誤差放大、軟啟動使能都放進了一個小封裝里。自己用分立運放搭也不是不行但必須認真算零極點建議先用環(huán)路分析儀掃一遍增益裕量和相位裕量至少留15dB增益裕量和45°相位裕量再上整機測試。4.3 兩個高頻踩坑點總線開路和噪聲耦合平均電流均流法最怕總線開路。一旦SH總線斷開每個模塊看到的平均電流信號會錯誤地變低誤差放大器會拼命把模塊輸出往最大限流方向推結(jié)果所有模塊一起沖到限流點。針對這種情況控制邏輯里必須檢測“模塊電流異常偏高但輸出電壓偏低”的狀態(tài)超過一定時間就主動切換為單機恒壓工作。另一個高頻問題是總線噪聲耦合。SH總線是一條低電平模擬信號走線如果離開關(guān)節(jié)點、電感或功率MOSFET太近很容易把高頻噪聲耦合進均流誤差放大器。布置PCB時建議讓SH總線走內(nèi)層兩側(cè)包地最好在每顆芯片的SH引腳對地加一個幾十pF的小電容濾掉高頻干擾又不影響正常的低頻均流信號。5. 最大電流均流法無需預(yù)設(shè)主角的自動民主最大電流自動均流法看起來像主從法但它的“主模塊”不是提前指定的而是由系統(tǒng)在當(dāng)前工作狀態(tài)下自動選出來的。誰先跑到最大電流誰就自動成為這一時刻的“指揮官”其余模塊跟著這個最大電流走。5.1 最大電流選擇機制是怎么實現(xiàn)的每個模塊都會把自己的電流檢測信號通過一顆二極管連接到公共總線上由于二極管單向?qū)偩€上呈現(xiàn)的是所有模塊中電壓最高的那一路信號也就是電流最大的模塊信號?？偩€信號再作為全局參考反饋給所有模塊的均流誤差放大器讓各模塊逐漸把電流拉齊。實際搭建時為了減小二極管壓降引起的誤差一般會使用低壓降肖特基二極管并且在信號進入比較器之前做一次緩沖放大。更講究的設(shè)計會用MOSFET代替二極管組成理想二極管選擇網(wǎng)絡(luò)把信號偏移控制在毫伏級別。代價是電路復(fù)雜度和成本同步上升。5.2 這個方案適合什么場景最大電流均流法特別適合需要N1冗余和現(xiàn)場熱插拔更換模塊的場景。因為不需要預(yù)設(shè)主模塊任意模塊故障退出后剩余模塊會自動重新競爭出一個新的最大電流參考系統(tǒng)在短時間擾動之后可以重新進入均流狀態(tài)。服務(wù)器電源、通信機柜電源、儲能變流器模塊這類應(yīng)用經(jīng)常采用類似機制。它也有短板。二極管或理想二極管選擇網(wǎng)絡(luò)的信號傳播存在延遲在負載出現(xiàn)大幅瞬態(tài)時模塊之間的跟隨速度不如平均電流法平滑。如果某個模塊因為內(nèi)部故障電流異常偏高它反而會成為主導(dǎo)者把其他模塊都帶著走嚴重時會造成整個并機系統(tǒng)的過流保護誤動作。所以最大電流均流系統(tǒng)必須同時設(shè)置自身限流保護的上限并且對主導(dǎo)模塊的信號做鉗位處理。5.3 動態(tài)切換后的恢復(fù)過程實際測試中要注意觀察切換完成后的恢復(fù)時間。當(dāng)某模塊瞬間拔掉時公共總線上的最高電流信號會跳變剩下的模塊需要在幾個開關(guān)周期內(nèi)重新收斂?；謴?fù)時間太長母線電壓會出現(xiàn)塌陷恢復(fù)太快又容易過沖。建議在總線上到地之間并一個小電容把信號變化速率壓下來避免嚴重的振蕩。6. 參數(shù)對比表四種方案放到同一張表里結(jié)論就出來了把四種電源并聯(lián)均流電路放在一起比較我用下面這張表把它們最關(guān)鍵的六個維度列出來方便你直接對著選型。對比維度下垂均流主從均流平均電流均流最大電流自動均流均流精度較粗10%~20%電流差高可做到2%~5%高一般2%~5%中高通常5%~10%負載調(diào)整率明顯變差好好較好是否需要模塊間總線不需要需要參考電流線需要平均電流總線需要最大電流選擇線瞬態(tài)響應(yīng)不錯無復(fù)雜校正快但依賴性明顯需要控制帶寬避免振蕩受二極管選擇延遲影響熱插拔與冗余能力很好差需額外切換邏輯好但總線路由要可靠很好適合N1場景電路復(fù)雜度與成本最低中等高較高如果項目預(yù)算有限、對電壓精度要求不高就直接選擇下垂均流用最少的元器件保證系統(tǒng)可并聯(lián)。如果要做高精度輸出又不介意主模塊的可靠性風(fēng)險可以選主從均流。如果想在N1冗余和動態(tài)負載之間取得平衡平均電流均流法最合適。如果系統(tǒng)要求模塊即插即用、現(xiàn)場維護更換方便那么最大電流自動均流法值得優(yōu)先考慮。7. 做完實驗后才會遇到的坑環(huán)路振蕩、總線噪聲與短路恢復(fù)光看原理圖總覺得簡單真正把并聯(lián)系統(tǒng)放上負載做測試幾個問題就會接連冒出來。7.1 環(huán)路振蕩是最常見的“隱性故障”用示波器測量模塊輸出電流波形如果看到一串固定頻率的紋波疊加在輸出上頻率不高但振幅會隨負載增加而增大這多半是均流環(huán)路和電壓環(huán)路在打架。處理辦法按順序來首先把均流誤差放大器的積分電容加大把帶寬降下來再檢查SH總線上是否并了不合適的電容通常總線的電容值不要超過幾十pF太大了相位裕量會迅速惡化。最后如果并聯(lián)模塊數(shù)量超過三個還要檢查模塊之間有沒有發(fā)生共地環(huán)路噪聲必要時把SH總線的參考地統(tǒng)一到單一接地點。7.2 電流采樣走線必須用開爾文接法這個坑我反反復(fù)復(fù)見人踩過。采樣電阻兩端如果是普通走線直接拉到運放輸入端大電流路徑上的銅箔壓降會被當(dāng)成采樣信號放大產(chǎn)生虛假的均流誤差。正確做法是從采樣電阻的兩個焊盤各單獨拉出兩根細線交叉后接到運放的正負輸入端形成開爾文接法。采樣信號線上加一級RC低通濾波截止頻率設(shè)為開關(guān)頻率的十分之一左右能夠有效濾掉PWM紋波對采樣信號的影響。7.3 短路恢復(fù)測試最能暴露均流邏輯的漏洞把并機輸出直接短路讓保護動作然后再斷開短路觀察各模塊電流恢復(fù)到正常均流狀態(tài)的過程。有些系統(tǒng)在短路后重新恢復(fù)時出現(xiàn)電流反向倒灌原本輸出電流較小的模塊變成吸收電流導(dǎo)致母線電壓異常跌落。這種情況下要檢查每個模塊的輸出是否加了防反灌二極管或理想二極管ORing電路。沒有防反灌措施的模塊在并聯(lián)應(yīng)用中存在很大安全隱患。7.4 模塊不同批次參數(shù)差異帶來的影響即使是同一型號不同批次模塊的空載電壓、采樣電阻容忍度和補償網(wǎng)絡(luò)都有微小差異。并聯(lián)前建議先做一次單模塊滿載測試把每塊的輸出電壓、輸出紋波和溫度走勢記錄下來盡量把參數(shù)接近的模塊放在同一個并機組內(nèi)。下垂均流對這個差異最敏感平均電流均流和最大電流自動均流因為有閉環(huán)校正對參數(shù)差異的容忍度會高不少。最后想說的各種方法沒有絕對的好與壞。用我的經(jīng)驗來說第一次做并聯(lián)均流系統(tǒng)時先不要急著上最復(fù)雜的平均電流方案先用一顆低阻值功率電阻搭出臨時下垂均流把整個系統(tǒng)的環(huán)路特性和負載特性摸清楚再決定要不要加有源均流控制。因為很多故障從根源上講并不是均流方案本身的問題而是采樣精度、地線布局和環(huán)路帶寬這些底層環(huán)節(jié)沒有做扎實。把底層打牢了任何一種有源均流電路都能在這個基礎(chǔ)上穩(wěn)定工作。