Работа нескольких источников питания на общую нагрузку

Для некоторых проектов требуется больше мощности, чем может отдать один источник питания, и в такой ситуации для балансировки нагрузки можно использовать перенаправляющие диоды Шоттки (Рисунок 1). Чтобы реализовать простое распределение нагрузки, в этой схеме объединены выходные токи. Обратите внимание, что это отличается от резервирования питания; здесь другой случай, когда требуемая системе мощность не может быть обеспечена одним источником питания. Эта схема достаточно проста и будет работать в идеальных условиях, когда VPS2 = VPS1. То, что происходит в реальности, гораздо интереснее и делает такой подход несостоятельным.

Вебинар «STM32WL – новый LoRa-микроконтроллер 433/868 МГц. Передача данных на большие расстояния» (28.02.2022)

Два источника питания с одинаковыми напряжениями работают на общую нагрузку в режиме разделения токов.
Рисунок 1. Два источника питания с одинаковыми напряжениями
работают на общую нагрузку в режиме разделения токов.

Чтобы оценить схему, можно проанализировать ее поведение при различных нагрузках и отклонениях напряжения источника питания, используя формулу для расчета прямого падения напряжения на диоде Шоттки при различных токах.

Сложность заключается в том, что эта формула является лишь хорошим приближением, и для того, чтобы получить вольтамперную характеристику аналогичную графикам, приводимым в документации производителей диодов, нужно использовать соответствующее n. (В данном случае n было выбрано равным 10). Анализ оказался немного сложнее, чем ожидалось, поскольку пришлось рассматривать два разных источника питания и вычислять токи итеративно. Чтобы решить эту проблему, для вычисления токов и напряжений схемы использовались несколько итераций, выполненных с помощью написанной на Си программы (доступна в разделе Загрузки).

Результаты оказались неутешительными, поскольку они показывали, что при отклонении напряжения на ±1% 90% мощности забирается из одного источника питания. Одним словом, эта схема не является хорошим решением для источников питания с разницей более чем в несколько десятков милливольт. Проблема в том, что не все стандартные блоки питания имеют регулировку выходного напряжения, особенно герметичные. Для ее решения была разработана схема распределения нагрузки, использующая доступные компоненты и способная работать с любыми блоками питания (Рисунок 2).

Мониторы тока положительной шины измеряют токи обоих источников питания, а перекрестно управляемые транзисторы Q1 и Q2 выравнивают токи, отдаваемые каждым источником.
Рисунок 2. Мониторы тока положительной шины измеряют токи обоих источников питания,
а перекрестно управляемые транзисторы Q1 и Q2 выравнивают токи, отдаваемые
каждым источником.
 
Таблица 1. Только с диодами (Рисунок 1)
  Тест PS1 PS2 Ток нагрузки
(А)
Напряжение
нагрузки
(В)
Мощность
(Вт)
Общие потери
(Вт)
Входное
напряжение
(В)
1 20.5 20.3 1.0 20.1 20.1 3.1
2 20.4 20.3 2.5 20.0 50.0 4.0
3♣ 20.4 20.3 5.0 19.9 99.3 4.7
Входной
ток
(А)
1 1.1 0.1        
2 2.4 0.3        
3 3.9 1.2        
Входная
мощность
(Вт)
1 22.1 1.1        
2 48.2 5.8        
3 79.6 24.3        
Нагрузка (%) 1 95.0 4.9        
2 89.3 10.6        
3 76.5 23.4        

Клеммы J1 и J2 подключаются к входам источников питания, а нагрузка подключается к VIN. Как видно из схемы, в дополнение к первоначальным перенаправляющим диодам теперь появились MOSFET Q1 и Q2, шунтирующие эти диоды для управления распределением нагрузки. MOSFET управляются операционными усилителями U3B и U3A, включенными так, чтобы каждый из них сравнивал ток собственного источника питания с током другого. Схема не предъявляет каких-либо строгих требований к компонентам, но R1, R11, R2 и R12 должны иметь допуски 1%. Сигналы на операционные усилители подаются через простые RC-фильтры нижних частот, чтобы сгладить любые скачки напряжения. Для измерения тока на выходе каждого источника питания используются токоизмерительные усилители U1 и U2, а для выравнивания токов используется комбинация из RC-фильтра, операционного усилителя и MOSFET. Работоспособность этого решения было доказана при входном напряжении 12–19 В (обычные блоки питания ноутбуков) и токе нагрузки 10 А. Эффективность распределения нагрузки достаточно высока, чтобы каскадировать эти схемы для объединения четырех источников питания. Результаты испытаний схемы приведены в Таблицах 1 и 2.

Таблица 2. С распределением нагрузки (Рисунок 2)
  Тест PS1 PS2 Ток нагрузки
(А)
Напряжение
нагрузки
(В)
Мощность
(Вт)
Общие потери
(Вт)
Входное
напряжение
(В)
1 20.5 20.3 1.0 20.2 20.2 3.2
2 20.5 20.3 2.5 20.1 50.2 3.1
3 20.4 20.2 5.0 20.0 100.2 7.5
Входной
ток
(А)
1 0.6 0.6        
2 1.3 1.3        
3 2.6 2.7        
Входная
мощность
(Вт)
1 11.6 11.8        
2 26.2 27.1        
3 53.3 54.3        
Нагрузка (%) 1 49.7 50.2        
2 49.1 50.8        
3 49.5 50.4        
  1. Расчет токов и напряжений для схемы

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 2000
сейчас смотрят 72
представлено поставщиков 1573
загружено
позиций
25 067 862