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（电源模块）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电源模块的串并联应用

2.1 多路输出电源模块的选择

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。

2.2 DC-DC电源模块并联使用

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。

2.21 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DC-DC模块串并联应用及其电源保护技术DC-DC模块串并联应用及其电源保护技术这些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

2.3 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

2.31 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。

2.32 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。

3、DC-DC模块电源的保护技术

3.1 输入过欠压保护为了防止电源模块的输入电压在超出正常范围时损坏模块，模块绝大多数具有输入过欠压保护，大功率电源的输入欠压保护尤其重要。这是由于电源模块的效率基本上是恒定(在恒定负载的条件下，效率随输入电压只有很小变化)，随着输入电压的降低输入电流增大,如果输入供电电源的电压建立时间比较长，在模块没有欠压保护的条件下会使模块输出电压的建立时间较长，此时间与输入电压建立时间有关，这样会使用户电路在上电时工作在异常状态，有可能会引起故障或烧毁用户电路；而且在这种状态的情况下模块的输入电流较大、输入电压很低，很容易损坏电源模块。

如果电源模块具备欠压保护功能，无论输入电压如何建立，只有在输入电压达到一定值时电源模块才启动工作,保证输出电压的建立时间不变。由于欠压保护有回差控制，保证了在开启和关闭时的稳定和可靠。即使输入端引线过长线压降过大，使电源在上电和掉电引起输入电压在欠压点附近的跌落和上升，也不会使输出产生异常。欠压保护的回差控制是保证输入开启电压高于关闭电压，一般情况开启电压高于关闭电压0.5Vdc--2Vdc左右，这与具体型号有关。

3.2 输出限流和短路保护

电源模块都具备输出限流和短路保护功能，当输出短路或过载状态消除后，输出可以自动恢复正常。输出过流点是模块内部设定的，使用者不能从外部改变。用户须注意在过热的条件下，如果长期工作在过载或短路状态下，电源模块有可能损坏，这取决于模块的壳温和散热条件及型号，尤其对没有过温保护的电源模块。

输出短路和过载时电源模块的功耗是决定其能否长期工作于此种状态的主要条件。输出短路时绝大多数型号的电源模块工作在间歇模式，输入的平均功耗很低；输出过载时电源模块工作在限流方式，一般条件下限流保护点在120%标称输出电流附近，此时的输出功率最大，模块的功耗也很大，应注意避免长期工作于此状态，输出限流保护点的电流值会随输入电压而有些变化，一般情况下会随输入电压降低而减小，随输入电压升高而增大，不同系列的型号产品会有差异，在使用时须注意。

3.3 关于输出过压保护

电源模块的输出过压保护采用了一个独立的反馈环路，一般的保护值是在标称输出电压的120%至140%。当过压检测电路发现输出端有过压，它给输入侧发出信号使模块关闭输出。但它不是锁存状态不需外部复位，模块在短暂的关闭输出之后再重新启动，输出电压在原边的软启动控制下重新建立。如果过压是外部产生的并已消失，模块将正常运行如果过压条件还持续，模块将再次关闭输出并重新启动，这样将维持在关闭和启动的重复状态。如果要求输出电压的波动较小，不允许上述情况，建议在外部加一个电压监测，通过模块的遥控端(Rem)来关闭输出。在大多数的应用情况下使用者都在输出加了一定容量的电容，模块的关闭与开启不会在输出引起太大的变化，输出电压基本上维持在过压门限附近。

小功率的电源模块大多数在输出端并联稳压、吸收二极管之类的保护器件。出现过压时二极管可以吸收部分能量。如果过压维持时间过长，使二极管无法吸收，则二极管被击穿短路，使输出电压变得很低。此种保护是以模块的损坏为代价来保护用户设备的。输出过压保护门限值是模块内部设定的，不能用Trim端改变。

3.4 温度保护

功率为50W以上的铝基板结构电源模块一般都有内部过温保护功能。当基板温度达到100℃-110℃时模块将关闭输出；当基板温度降回正常范围或95℃以下时模块将自动恢复正常输出，而不需要人工复位。

4、关于电源模块的散热

电源模块在工作时内部将产生热量，会使壳温上升，因此如何保证壳温在允许的范围内并使其温升尽可能低是提高其可靠性的关键，模块散热主要通过自然对流、强制风冷、安装散热器的方法，或其中几种的组合。对小功率的模块，设计时主要考虑自然散热，功率基本上是40W以下。在使用时主要考虑其安装环境，使其周围有对流的空间，使用功率有一定的降额，并在实际的最高环境温度下监测壳温。对40W以上或有散热器安装孔的模块,必须考虑强制风冷或安装散热器散热。基本方法是：先根据效率门计算出模块的耗散功率Pd=Pout/η-Pout，通过最高壳温Tc和要求的工作环境温度Ta，算出外壳到环境的热阻=(Tc-Ta)/pd，根据算出的热阻选择合适的散热器或风速，然后根据散热器与模块外壳的导热材料，必须把外壳至散热器的热阻也考虑进去。计算只是考虑散热的第一步，由于受众多因素的影响，在选定散热器与风速后必须对外壳温度进行验证，以便进一步的修正。

5、关于电磁兼容

几乎所有的电源模块内部都有丌型滤波器，但由于体积的限制其滤波效果比较有限。几乎所有品牌型号的电源模块在通过电磁兼容测试时都需要外加电容、滤波器或装置，这也是FCC和CISPR标准所允许的。

电源模块的干扰主要有传导干扰和辐射干扰，传导干扰即有共模噪声，又有差模噪声，主要通过电源线传导，可以通过共模滤波器和丌型滤波器来抑制，具体见图14和图15说明。

6、结束语

上述是新型DC-DC电源模块串并联应用与实例介绍，而各个DC-DC模块其应用特性会有侧重或不同，设计时应根据要求作出选择。