有各式各樣的原因導致系統設計師可能要考慮採用並聯DC電源供應,其中有些涉及到與物料清單和物流問題相關,其他則集中於滿足系統電流、效能或可靠性目標。

在非設計方面,並聯電源的能力可能可允許單獨使用一種電源供應模式,或用於廣泛產品線的組合。這可能簡化採購,增加每單位批量並簡化存貨管理。

當然,考慮並聯電源的技術原因更加複雜。首先,在產品實際上比預算需要更多電流,或許由於無法利用超低功耗的元件,或新的功能和行銷增加的能力的情況下,使用並聯電源可能是一種「保險」的形式。其次,並聯電源可以支援N+1甚至N+2冗餘,以防止單點故障,或在不影響系統的前提下實現故障電源的熱插拔。

第三,它允許使用一個具有易於理解功能、特點和外形尺寸的已知的、成熟的電源,因而減少設計導入風險和不確定性。最後,如果一個高容量單元在一個高度局限的區域消散過多熱量,它可以透過增加電源轉換器實際配置的靈活性來實現「熱擴散(heat spreading)」。

透過電源的並聯提供的靈活性和潛在的好處帶來了一個明顯的問題:可以在並聯配置中使用任何電源嗎?答案是「不能」。它取決於電源的設計、用於連接電源的技術,以及並聯使用電源的理由。

希望將電源並聯的最明顯和最簡單的方法是簡單地將其輸出連接在一起。一般來說,這將無法順利運作,因為每個電源都有其自己的輸出電壓調整率,因此不僅要設法維護這個調整率與負載上變化的關係,而且要試圖調節其他電源的閉合迴路。

對於包括其自己傳統內部誤差放大器和參考的電源來說,只以並聯方式放置多個電源不是實現高功率陣列的一種有效方法。從電源到電源的參數差異往往會引起一個電源—那個有最高輸出相關參考電壓的電源—攜帶所有負載電流,而所有剩下的電源不會攜帶負載。

在這種情況下,當負載超過了這個「領先」電源的能力,它可能會進入一種定電流極限模式(這可能是或可能不是一個工作額定模式),或者它可能因為故障和關閉出現超載。取決於電源供應問題,這些反應可能會導致過應力,尤其是如果它們發生在應用程序常規操作的一部分。此外,對於由於過載導致電源關閉的情況,下一個最高參考電壓的陣列中的電源將被迫承載整個負載,並將同樣關閉。這將很快導致整個電源軌的崩潰。

如果一個電源設定為定電壓(CV)模式,而其他電源設定為定電流(CC)模式,且處於稍高的輸出電壓,這是讓直接連接拓撲結構可以運作的方法;請注意,並非所有電源都允許選擇輸出模式。

設定為較高輸出電壓的電源將提供定電流輸出,而其每個輸出電壓都將下降,直到它等於CV電源的輸出。負載必須吸取足夠的電流,以確保處於CC模式的電源必須保持在該模式下運行。請注意,使用這兩種方式意味著多個電源不再完全相同,從而否定了並聯配置的某些優勢。

如果電源是專為支援這個拓撲結構,或者如果有一個控制迴路誤差放大器可以回授誤差訊號到所有其他電源,使它們共用負載,直連方法是可行的。不過,後一種方法還需要一條「均流母線(share bus)」來控制從主到從的訊號。

另一種方法可增加與每個電源的輸出串聯的小鎮流電阻器,以均衡陣列中電源之間負載電流分布,甚至當其控制迴路在尋求不同輸出電壓時,如圖1所示。鎮流電阻器會產生一些 負載調節的損耗,端視鎮流意欲克服的設定點誤差的傳播而定。不過,這些鎮流電阻器也會散發熱量,降低系統效率。相關的耗散和整體效率,導致問題存在。

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圖1 一種均流方法是在每個電源輸出使用相對低值的鎮流電阻器,但由於電阻相關的耗散和整體效率,這存在問題。



這個「OR」那個?

這個針對直連困境的看似「簡單」的解決方案只是在每個電源和所有電源的公共連接點之間使用了一個二極體,該技術通常稱為二極體ORing,如圖2。二極體ORing對防止來自汲極(sinking)電流的電源遠離共用輸出非常有效,但通常不足以解決有獨立誤差放大器的電源中的均流誤差(sharing errors),因為二極體的導通特性曲線比較陡,以致電源設定值的參數差異仍然會導致嚴重的均流問題。

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圖2 原則上可以透過使用二極體組合多個DC電源輸出,以隔離一個電源與另一個電源,但這種配置有很多有關平衡和均流的效能問題。



二極體ORing一般對獨立的電源供應要求是,其輸出可以同時汲取和流出電流(雙象限運作);若沒有二極體ORing,直接並聯這種電源的影響會遠不如對單象限電源那麼嚴重。雖然單象限電源只會經歷負載均流誤差,但雙象限電源將會積極爭奪共同輸出電壓的控制;這將導致電流超過陣列中電源迴圈的負載電流,並可能立即導致一個或多個電源超載。

此外,如果二極體有一個針對其傳導閾值的負溫度係數,這將實際促使陣列中的電流錯亂(hogging)。使問題減到最小的一種方法是採用正溫度係數整流—如蕭特基二極體,或是透過在主動ORing實現中使用FET和整流器來構建一個類二極體(diode-like)功能;但由於正向壓降,二極體可能降低效率,而主動ORing可能增加成本和複雜性。

在某些情況下,二極體ORing仍然可以改善系統級的可靠性。有趣的主要情況是其中的一個電源經歷了一個短路的輸出FET或電容器,這可能危及共同輸出電壓軌。二極體ORing會快速將短路從輸出母線去耦(decouple),同時提高可靠性和系統強健性。

誰來負責?

電源一般必須專門針對並聯工作來設計,以在陣列中實現可靠和可以預見的運作。必須全面考慮啟動同步、故障保護協調,以及控制迴路穩定性。

對於一個為負載提供更高位準可用電流的並聯陣列電源,需要針對陣列使用某種類型的控制迴路策略。一個受歡迎的控制策略是操作沒有內部穩壓放大器的電源,而是用一個由誤差放大器控制的共同控制訊號輸入將它們組合在一起。這個誤差放大器可調節系統的輸出,然後其單回授訊號被分發到系統中的所有電源。

這種受歡迎的控制策略的主要優點是可妥善調節輸出電壓,而均流誤差是取決調變器增益中的零件間變異(part-to-part variations)。缺點是,使用單個誤差放大器和單線控制母線可能會產生單點故障,這對某些類型的高可靠性系統來說會是個問題。另外,調變器增益的參數誤差難以控制,往往導致製造商權衡良率來控制均流誤差。

對於單控制迴路方法,如果電源對其控制節點輸入採取嚴格的容限,均流誤差可降到最低。如果均流誤差很大,那麼要不是必須降低陣列的額定功率、以避免由於均流失衡(sharing imbalances)造成陣列中任何單個電源超載;要不就是得採取具體對策。

要因應來自控制節點零件間變異導致的均流誤差,技巧包括利用以生產為基礎的調整來校準錯誤(是一種昂貴的方法),或在陣列內部的每個電源週遭增加電流控制迴路以消除此類誤差(這會帶來額外的複雜度與元件);這些本地迴路的電流檢測通常需要對電源增加分流電阻。

對於控制節點是參考DC-DC電源一次側(primary side)的隔離式電源來說有第二個障礙:傳輸跨越一次側到二次側隔離邊界的誤差放大器輸出訊號;取決於所使用的隔離元件,隔離技術通常會增加成本、佔用寶貴的電路板空間,而且可能會對可靠性產生不良影響。

第二個允許在並聯陣列中安排單獨電源的控制迴路策略,是使用負載線(load line)來仿效鎮流電阻器方法中的路徑電阻;透過實施所謂的「降壓均流(droop-share)」負載均流方法,每個電源都有單獨的參考和整合的誤差放大器;但隨著電源的負載電流增加,參考電壓被刻意線性降低到某種程度的額定值。

並聯電源可能對瞬態響應和負載調節產生負面結果,降壓均流方法刻意用負向負載調節(load-regulation)方式將負載分佈到陣列中的模組;因此,對於降壓均流陣列,負載調節往往比對用傳統單誤差放大器建立的陣列更糟。如果這是個問題,可以在降壓均流列週圍使用一個外部控制迴路,以有效抵銷負性調節;因為外部迴路本身就是一個誤差積分器(error integrator),由此產生的靜態調節誤差與傳統誤差放大器情況相同。

電源設計可以簡化並增強並聯配置

電源供應商可以採取一些措施來化解並聯挑戰;例如採用ChiP(Converter housed in Package)封裝、內建負斜率負載線的Vicor DCM DC-DC轉換器。如此一來,隨著負載的增加,DCM內部穩壓器可略微降低輸出電壓。這實際上就像小鎮流電阻器方法,但沒有使用任何一個真正的電阻器(如圖3),而且附加其他幾個關鍵差異。

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圖3 採用ChiP封裝的Vicor DCM適用於透過簡單地將其輸出連接在一起的並聯;不需要二極體、鎮流電阻器或其他負載平衡元件。



首先,它是一種實現鎮流電阻器的不同方法,因為沒有實體電阻器,也沒有V×I生成的熱量,不涉及廢熱;第二個差異涉及動態響應,因為頻率高達數百千赫(kilohertz),由於沒有高頻寄生問題,在其I-V轉移函數曲線中,真正的電阻器可以被認為具有無限的「頻寬」。結果是,電阻器上電壓的任何瞬時變化都會導致相應的電流變化。

在DCM轉換器中,負載線是透過建立誤差放大器參考的數位/類比轉換器離散時間調變實現的;正確的參考值主要是基於DCM輸出電流的估計來計算,並涉及一些平均以降低雜訊。因此,DCM負載線所仿真的電阻器行為,就像它有一個與其並聯的大電容,而當查看顯示電源對一個負載步階回應的資料表圖片時,會發現由此產生的RC時間常數很明顯。

儘管如此,這種負載線輸出特性允許多個DCM輸出直接進行並聯,但是其各自的誤差放大器控制迴路仍處於活躍狀態。如果所有DCM對負載都有相同的外部(真正的)路徑電阻、有相同的調節設定值、並且都處於相同溫度,在理想情況下,陣列中DCM上的負載電流的分佈是相等的。因而並聯DCM行為就像單個DCM,但是有更高的輸出電流,如圖4。

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圖 4 利用 Vicor DCM 轉換器,並聯的單元可作為一個轉換器使用;此外,如負載線所示,如果陣列的大小為相對最大負載的 N+1 冗餘,儘管任何單個轉換器出現故障,陣列將繼續發揮作用。



由於其負電壓溫度係數,利用DCM轉換器系列,各自單元中的溫度變化不是問題;如果一個電源的載入比其他電源多一些,相對於其他電源其溫度將上升,這反過來會導致其輸出電壓降低。由於其他並聯DCM的輸出電壓匹配載入DCM的輸出電壓,其輸出將跟隨其負載線,從而增加其負載電流的共用,使電路回到平衡。

並聯DC-DC電源的問題和方法適用於大型轉換器,如Vicor的DCM系列,而且也可用於極小負載的電源IC;例如,LT3083是凌力爾特(Linear Technology)的一個3A低壓差(LDO)線性穩壓器,支援使用每個電源及其共同輸出軌之間使用10mΩ鎮流電阻器的並聯工作。

使用電源並聯是實現在庫存與備貨、產品通用性、額外輸出電流和N+1冗餘效益的,一種具吸引力且可行的技術;不過我們必須瞭解可能的並聯拓撲結構,以及如何維持跨多個電源的閉迴路電源調節。