引言

模塊化開關電源產品被廣泛應用于工業自動化控制、高可靠設備、科研設備、半導體制冷制熱、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備等領域。中電華星作為國內目前銷售規模較大的模塊化電源供應商，在模塊應用方面擁有業內全面、專業、實用的應用方案。而模塊電源的組合應用為最常見的電源應用方案，在各個行業都有廣泛的需求。

采用模塊化電源可以組合成為分布式供電系統，成為N+M的冗余電源系統．實現基于并聯方式的容量擴展和基于串聯方式的電壓擴展。

1 模塊化開關穩壓電源的組合特性

在此，中電華星的電源工程師以AC／DC電源為例，研究單個開關電源的組合特性。

1．1 模塊化AC／DC穩壓電源的主要特性

模塊化AC／DC穩壓電源特性一般包括額定輸出電壓、紋波噪聲、輸入調整率、輸出調整率、穩定度、過載保護以及動態響應等諸多性能。

額定輸出電壓

輸出電壓準確度指開關電源正常工作時的直流輸出電壓的波動范圍，通常不超過額定輸出上下5％的范圍。

輸入調整率

輸入調整率源自電源在帶動負載時。電源的輸出電壓因輸入電壓波動所引起的變化。在規定的輸入電壓變化范圍內一般不大于5％。開關電源輸入調整率為

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

輸出調整率

電源輸出側負載的變化會引起電源輸出的變化，開關電源的性能越好，由負載的變化所引起的輸出電壓變化越小，通常開關電源的輸出調整率指標為3％一5％。其表達式為

式中：U1為負載變化時的輸出電壓。

1．2 模塊化AC／DC穩壓電源的組合特性

模塊化的直流穩壓電源能夠根據負載需要進行并聯、串聯和混聯組合，可以避免設計與制作多種標準的穩壓電源。

1)并聯組合常用于增大供電電流，理想情況下并聯后的特性為

額定供電電壓及總電流

輸入調整率

輸出調整率

2)串聯組合常用于提高供電電壓，理想情況下串聯后的特性為

供電電壓及總電流

輸人調整率

輸出調整率

3)混聯組合常用于滿足同時增大供電電流、提高供電電壓的電源系統需求。理想情況下混聯后的特性為

供電電壓及總電流

2 試驗研究

2．1 樣本電路

樣本電路選擇基于VIPER22A驅動芯片的220 VAC／5 V DC單端反激式開關電源電路 。該電路輸入電壓范圍寬，可以保證輸入電網電壓在較寬的范圍內出現波動時，開關電源仍然可靠、穩定工作。在有效負載范圍內。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 占空比計算

所研究的反激式開關電源的交流電源輸入范圍為100～225 V，經全橋整流、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為次級反射到初級的反射電壓，可選135 V；Vds 為VIPER22A的通態電壓，選擇5 V。代人式(13)，可得

2．3 試驗環境與試驗儀器

測試在常溫22℃下進行，試驗原理如圖2所示。使用以下儀器：Tektronix TDS 1002雙通道示波器，觀察開關電源的紋波大小；FLUKE DUAI 5位半萬用表，測量開關電源在不同情況下的輸出電壓：91L16交流自耦調壓器，改變開關電源的交流輸入電壓以測試輸入調整率。

2．4 單塊開關電源特性試驗

2．4．1 穩壓輸出

測試時，AC／DC開關電源電路交流輸人端接220 V市電．分別測試編號1～3的AC／DC開關電源電路的空載輸出，如表l所示。

單塊開關電源的電源準確度均>99％ 。紋波系數不高于1％，該開關電源輸出精度符合要求，可以進行后續試驗測試。

2．4．2 輸入調整率

測試時，AC／DC開關電源電路交流輸入端接交流自耦調壓器，輸出端接5Ω額定負載，多次調節交流自耦調壓器的輸出，分別測試編號1～3的AC／DC開關電源電路的輸出電壓，測試數據如表2所示。

2．4．3 輸出調整率

測試時，AC／DC開關電源電路交流輸入端接220 V市電，通過改變開關電源電路輸出端的負載，分別測試編號1~3的AC／DC開關電源電路。在不同負載情況下的輸出電壓，測試結果如表3所示。

多個開關電源單體經串聯組合后。性能相對于開關電源單體而言，會產生一定的變化。在此，基于單塊開關電源的特性分析，測試不同數量開關電源單體的串聯組合特性，測試結果如表4所示。

開關電源串聯總電壓與分壓情況(負載15Ω)

開關電源串聯后。測試結果顯示較之開關電源單體，具有更好的輸入調整，如表5所示。

開關電源串聯后，組合電源系統在獲得電壓擴展的基礎上，具有更優的輸入調整率和輸出調整率。

2．6 并聯組合

開關電源并聯組合對開關電源單體的性能要求較高，要求開關電源單體問的輸出特性保持較高的一致性。

性能一致的電源單體通過并聯組合向負載供電時，在沒有主動配流技術支撐的情況下，一旦有電源單體的帶負載能力達到極限而失效，會導致整個組合電源系統的失效。基于此．分別測試了不同數量開關電源單體的并聯組合特性，測試結果如表6所示。

開關電源并聯總電流與分流情況(負載5Ω)：

開關電源并聯后輸出調整率的改善效果更加明顯。相同負載情況下，當3塊開關電源并聯時，3塊開關電源近似均勻分流，弱化了開關電源單體間性能的差異性。開關電源并聯后，輸入調整率基本保持不變。較之單塊開關電源具有更好的輸入調整率，如表7所示。

開關電源并聯后，電源系統具有更優的輸入輸出特性：而且并聯的電源單體數量越多．分流越均勻。

2．7 混聯組合

混聯組合是指分布式電源系統同時存在串聯和并聯結構。有必要研究此類更加復雜的組合電源的特性。

試驗設計為2個開關電源單體并聯后再串聯第3個開關電源單體(即編號1和3并聯。再與編號2串聯)。測試結果如表8、表9所示。

混聯分壓、分流情況：

多個開關電源單體混聯后，相對于單一的串聯或并聯組合電源系統，具有更優的分流、分壓特性。

3 結語

據中電華星電源工程師介紹，本組合模塊電源系統可用于野外作業、海底觀測網絡、飛行器產品等一類特殊環境下分布式組合供電系統。以飛機電源為例，其供電系統常采用模塊化電源組合供電，為飛機的推進、控制等系統提供所需能量，模塊化設計與按需組合還具有減少成本，縮短研制周期，維護性好等優點。隨著空間科學技術的飛速發展，民用、高可靠用、無人機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，可為模塊化電源設計、測試、優化提供參考依據。更多電源解決方案請咨詢中電華星電源工程師。