選擇最適並聯電源架構　乙太網供電功率倍增

直流對直流(DC-DC)並聯電源普遍使用的一項技術，就是所謂的下降(Droop)法。如果並聯電源的輸出電壓降低，負載電流升高，並聯電源將會分享電流。這種方式不須要在電源之間通訊，也不會出現單一錯誤失效的情形，而且需要的附加零件非常少。如果使用電流模式控制，只須要限制控制迴路的直流電增益，就能產生與負載電流的增減成正比的輸出電壓下降。如果需要更高的精確度，可使用如圖1的電路。這個電路使用差動放大器U1B測量輸出電流，並將誤差注入補償放大器U1A的調節迴路中，只須加入幾個電阻及一個放大器，就可達到自動電流分享。

圖1　下降法須要增加的零件很少

遺憾的是，下降分享方式並非十分精確。圖2為最糟狀況下的變動程度，其中電阻公差為1%，參照公差為1.5%，總下降為10%，此設計的額定設定值為5伏特，變動程度為±5%的下降幅度。最小與最大曲線顯示在極限狀態下的元件公差。

圖2　下降法的最差電流分享相當糟糕

如果將這些電源以並聯方式連接，在沒有負載的情況下，一般會由輸出最高的電源調節輸出電壓。如果電源使用如圖1所示的二極體調節，最低輸出的電源將不會輸出任何電流。隨著負載電流增加，輸出電壓開始下降，由具有最高輸出電壓的電源提供所有電流，直到輸出值下降至5.25伏特，之後輸出第二高的電源開始提供電流。  

以上述假設的最差情況下的公差來看，在最低輸出電壓電源開始作用前，第一個電源已提供70%左右的輸出功率。由於可靠度的關係，這種現象並不理想，但在某些狀況下可能可以接受。隨著負載電流增加，第一個電源可能到達極限，之後由剩下兩個電源負責增加電流，從而達到全功率操作。  

具有同步整流功能的電源架構，可讓電源供應或吸入輸出電流，導致此種控制方法會造成很大問題。在極端的情況下，單一電源可能會試圖調節高電流端與低電流端。如果在沒有負載時發生這種情況，有些電源會供應電流至輸出，同時有些電源則會由輸出端吸入電流，這樣會從某個電源獲得功率，再饋電至第二個電源，而不會將功率傳送至負載；因此建議在零安培時停用同步整流。  

回路共用限制交錯式返馳設計應用  

平衡多重輸入功率的另一項技術為交錯法。交錯法和下降法一樣，它針對每個輸入使用不同的功率級，並將電源供應至一個共同輸出。和下降法不同之處，在於交錯功率級(或稱相位)共用一個通用的一次側(Primary Side)控制器，這種方式可以降低成本，每個功率級也可在反相位(Out of Phase)時同步。同步可以降低輸出電容器的漣波電流，因此可使用較小的輸出濾波器。在交錯法中，所有功率輸入必須共用同一回路(Return)，因此在某些應用中無法使用這種方法。  

許多脈衝寬度調變(PWM)控制器專門針對交錯法進行設計，如果只需要兩種相位，可以使用推挽式控制器(Push-pull Controller)執行交錯法，以大幅降低成本。

圖3為二相位交錯式返馳電源，使用類似UCC2808的推挽式控制器，這種晶片會限制每個相位的負載週期至50%，並將兩個功率級以180度的反相位方式進行轉換。這種推挽式控制器使用峰值電流模式控制，可讓兩種相位保持在接近相同的峰值電流值。在非連續返馳中，每個相位的輸出功率，與一次側峰值電流的平方值成正比，因此可自然平衡由兩個輸入電源獲得的功率。這種技術可使兩個輸入電源的功率差距縮減到5%以內。一次側金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的切換延遲是造成不均衡狀態的主要原因，在兩個輸入電壓不相等時情況最糟。由控制器所提供的峰值電流限制，會限制由兩個輸入端獲得的最大功率，而負載週期箝位會在欠壓與失效狀況下限制輸入電流。

圖3　推挽式控制器驅動交錯式反馳

採用負載分享控制器有助提升精確度

在多個輸入間分享功率的第三種方式，是透過二次側負載分享晶片來實現。採用此方式，具有遠端感測能力的獨立電源，不管數量多寡，均可共享同一輸出。負載分享晶片常與電源模組共用，請參考圖4的範例。一個分流電阻被用來測量每個轉換器所供應的電流。因為公差與寄生阻抗，其中一個電源將供應較多的電流，此電源會作為主電源，並將在負載分享(LS)匯流排上設定電壓，從屬單元使用此負載分享匯流排電壓作為輸入參考，以控制自己的輸出電流。如果要調整從屬單元，可以在從屬轉換器的遠端感測導線上注入電壓，如此可從主電源控制負載的輸出電壓，保持良好的負載調節。使用這種主/從方式，可以產生非常好的電流分享準確度，一般來說在完全負載時優於3%。

圖4　UCC39002負載分享控制器可以並聯獨立電源

由於每個並聯電源都需要一個負載分享控制器，以及外部的分立元件，因此這種方法的元件數量與成本略高於下降法與交錯法。此外，不建議同時使用負載分享控制器與同步整流器，因為可能在啟動或加入、移除個別電源時發生問題。

主/從架構可兼顧成本與精度

另一項可使用於並聯電源的技術，就是感測一個一次側電流(主)，然後與另一個電流比較(從)。不論使用光耦合器或電流變壓器，都可以在電源間傳輸電流資訊，同時維持隔離狀態。電流變壓器是最佳選擇，因其性價比最高。此外，相較於光耦合器，電流變壓器具有良好的準確度。電流變壓器的準確度由圈數比公差與電阻公差所決定，前者優於2%，後者數值一般為1%。光耦合器的準確度則依賴電流轉換率公差，最好的狀況為30%。  

表1顯示四種負載分享方式的比較結果。下降法是最簡單的方式，成本最低廉，效能最差，但不會發生單點失效情形。一般而言，效能最佳，但成本也最昂貴的技術是負載分享控制器。使用交錯一次側控制器或光耦合器/電流變壓器技術，可在成本與效能間取得平衡。此外，像同步整流器的使用、乙太網路供電輸入數目、乙太網路供電輸入是否須彼此隔離，這些因素都應納入考慮，才能決定該選用何種方法。

(本文作者任職於德州儀器)