21 quang 3704

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

CÂN BẰNG NGUỒN XUNG - SWITCHING MẮC SONG SONG
Chu Xuân Quang*, Nguyễn Văn Thành, Đặng Anh Tuấn
Tóm tắt: Bài tốn trình bày phương pháp cân bằng dòng cho nguồn switching
mắc song song để đảm bảo các khối nguồn cơ sở có dịng điện đầu ra giống nhau.
Bài báo đưa ra ví dụ cân bằng nguồn switching trên cơ sở kỹ thuật số sử dụng cơng
nghệ FPGA cho 2 modules cơ sở loại 28.5V-40A.
Từ khóa: Switching, Song song, FPGA.

1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÒNG CHO NGUỒN SWITCHING
MẮC SONG SONG
Nguồn xung (switching) ngày càng được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng do
có khối lượng nhỏ và hiệu suất cao hơn nguồn liên tục. Trong một số trường hợp,
để tăng công suất hoặc để tăng độ dự phòng người ta mắc song song hai hoặc nhiều
hơn các nguồn độc lập, sơ đồ phổ biến như hình 1.
I1
PS1

+U1
D1

In
PSn

Rt

+Un
Dn

Hình 1. Nguồn mắc song song các module switching.

Trong đó:
PS1, PS2…PSn là các nguồn thứ 1 đến thứ n.
D1, D2…Dn là các Didode
Các nguồn PS1, PS2…PSn được chế tạo với các vật tư linh kiện giống hệt nhau
để đảm bảo điện áp ra về cơ bản là như nhau trong suốt quá trình làm việc. Các
didode D1, D2…Dn được lựa chọn cùng chủng loại để có tham số giống nhau nhất
với hi vọng trong quá trình làm việc dòng làm việc I1, I2…In đều như nhau hoặc
gần như nhau.
Trong thực tế, không tồn tại các điều kiện lý tưởng. Do thời gian, nhiệt độ thay
đổi…gây ra sai lệch cho các điện áp ra Ui và sai lệch điểm làm việc trong các
diode Di dẫn đến dòng điện các nguồn PSi cung cấp ra tải khác nhau. Trong một số
ứng dụng (cả dân dụng lẫn quân sự) sự lệch dịng dẫn tới hịng hóc nguồn ảnh
hưởng tới thiết bị ni. Bài báo này trình bày một phương pháp cân bằng dịng cho
nguồn switching. Ngun tắc chính là can thiệp vào mạch điều khiển ổn áp của
từng nguồn PSi để thay đổi Ui sao cho các dòng đầu ra của từng nguồn II khác nhau
không quá một khoảng cho trước.
Các nguồn mắc song song để tăng công suất hoặc tăng độ an tồn thơng thường
là các nguồn có cơng suất đủ lớn. Các nguồn này theo thiết kế được xây dựng trên
170 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”


Thông tin khoa học công nghệ

nền tảng nguồn xung loại 1 theo phân loại của Nga như sơ đồ hình 2.
L

Ur

+E
K

+

D

Tải

C

Hình 2. Sơ đồ nguồn xung loại 1.
Theo sơ đồ khóa K đóng mở theo chu kỳ T, thời gian mở khóa (cho dịng chạy
qua) Tx.

Ur
E

Tx

T

t

2T

Hình 3. Chu kỳ đóng – mở của khóa K.
Điện áp đầu ra tính theo công thức:

Loại nguồn này thường dùng cho để làm cơ sở cho nguồn cơng suất lớn vì có
chỉ số khối lượng - trọng lượng tốt nhất trong ba loại nguồn xung.
Biến thể của loại nguồn này khi dùng với biến thế (Transformer) được mơ tả

trong hình 4.
+E

K1

K3

K2

K4
L

+U
+

C

Tải

Hình 4. Nguồn loại một dùng với biến thế (Transformer).
Điện áp ra:

2. TÍNH TỐN XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG
THEO PHƯƠNG PHÁP SỐ
Phần điều khiển hầu hết các nguồn được thiết kế trên cơ sở IC TL494 hoặc
tương đương. Việc can thiệp điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp
so sánh chuẩn đưa vào đầu vào khuếch đại thuật tốn để thay đổi điện áp ra sao cho
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016

171

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

dòng cân bằng. Việc này được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp bù qua mạch
D/A sau xử lý.
Ví dụ điển hình thiết kế điều khiển bằng cách thay đổi điện áp so sánh chuẩn
trong nguồn dùng IC TL494 được thể hiện trên hình 5. Đây là mạch thiết kế Viện
VLKT đã thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân sự gồm hai nguồn
28.5Vx40A mắc song song, phần mềm thực hiện đặt tham số sao cho dịng lệch
khơng q 5% Imax = 2A bằng cách thiết lập điện áp bù qua mạch chuyển đổi D/A
tới chân DAC . Mạch bù điện áp trong sơ đồ mạch điện hình 5 chính là phần mạch
đóng khung nét đứt. Hình 6 là mơ hình ngun lý chung của mạch bù điện áp.
Vref

Vref
+28.5V

+28.5V

R27 220R

30

E2

8

U2
TL431

75K

2K7
R15

DAC

R31
22K

2

IN2IN1-

R29 33K

R20 3K9

C8
2.2uF/16V

R25

2,3,6,7
R16
5K

16
IN2+

14
13

15

221

GND

A
KA
K

Vref

5
1

C10

C2
E2
C1
E1

7

3

R21 470K

VCC

U4
TL494I

DTC
COMP

3

7
6

2

C5
221

27R

CT
RT

7K5
4

R24 3K9

C4
104 R13

8

1

R17

470R

U3
HCPL0500
2

R30

IN1+

5
6

Q3
Dual Diode

VREF
OC

122

1

C11

R23
47K

3

R11 68K

VCC_494

R18
330R
C7 22uF/16V

R14

R28
3K3

C6
2,2uF/16V

R12 164K

R10 68K

R26

100R

12
11
10
19

8
9
R32 220R

E1

R33
3K3

27R
C9
472

R22
3K3

Hình 5. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh điện áp 28,5V - 40A bằng phần mềm.
Điện áp chuẩn
(Uref)
R2

R1
DA

R3

+
-

Hình 6. Mạch bù điện áp.
Như vậy, sơ đồ khối hệ thống nguồn mắc song song có xử lý cân bằng dịng
được thể hiện như sau:
Sensor dịng
khối nguồn 1

ADC1

Cách ly

Sensor dịng
khối nguồn n

ADCn

Cách ly

FPGA

DAC1

DACn

Khối
nguồn 1

Khối
nguồn n

Hình 7. Sơ đồ khối hệ thống xử lý cân bằng.
Lựa chọn bước thay đổi điện áp phù hợp với đặc tuyến VA của diode cách ly
trong nguồn switching mắc song song.
172 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”


Thông tin khoa học công nghệ

Như bài báo đã đặt ra, sai số về dòng cho hai nguồn mắc song song không vượt
quá ΔΙ, như vậy bước hiệu chỉnh điện áp đầu ra của nguồn PS phải nằm trong giới
hạn sao cho mỗi khi thay đổi một bước (do hiệu chỉnh số) dòng đầu ra của nguồn được
hiệu chỉnh nhỏ hơn ΔΙ.

Xét đặc tuyến VA của hai loại diode công suất thơng dụng được sử dụng cho
mục đích này, chọn hai loại diode có dịng làm việc lớn hơn 50A, một là loại silic
ký hiệu STTH60L06TV, một loại germany ký hiệu DSS2x121-0045B là hai loại tổ
đề tài sử dụng cho nguồn công công suất mắc song song.
Đặc tuyến VA của hai loại thể hiện trên hai hình 8, hình 9.
Với diode Ge, đoạn dốc nhất của đặc tuyến (đoạn có sự thay đổi dòng nhiều
nhất khi thay đổi 1mV điện áp trên diode) là 5mV/A. Tương tự như vậy đoạn dốc
nhất của đặc tuyến với diode silic là 7.2mV/A. Độ lệch dịng phụ thuộc đặc tính –
xem phụ lục kết quả đo thực tế. Với cùng điện áp, cùng chủng loại diode do đặc
tính diode khác nhau mà dịng khác nhau (Bảng 1 – 6 trong phụ lục).
Như vậy, để hệ thống làm việc bình thường với cả hai loại diode hiện có chúng
ta lựa chọn bước thay đổi điện áp tương ứng với loại diode có sự thay đổi đặc
tuyến cao hơn, tức là loại Ge, mỗi khi thay đổi dòng 1A, điện áp trên diode thay

đổi 5mV. Như vậy, 5mV cũng là bước thay đổi điện áp trong mỗi chu kỳ phần
mềm khi phát hiện có sự thay sai lệch dòng lớn hơn 2A giữa hai nguồn PS mắc
song song.

Hình 8. Đặc tuyến VA của diode STTH60L06TV
(đại diện cho loại Si).

Hình 9. Đặc tuyến VA của
diode DSS2x121-0045B (đại
diện cho loại Ge).

3. TÍNH TỐN, VÀ XÂY DỰNG THUẬT TỐN
ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TRÊN FPGA
Ứng dụng điều khiển cân bằng nguồn switching mắc song song trong thực tế,
Viện VLKT đã thiết kế nguồn switching phục vụ thiết bị quân sự gồm 2 nguồn
28.5V x 40A mắc song song, phần mềm được đặt tham số sao cho dịng lệch khơng

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016

173


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

quá 5% Imax = 2A, như sơ đồ trên hình 10.
Với nguồn Switching, tần số làm việc trong khoảng 50kHz – 60kHz, thời gian
giữa các lần hiệu chỉnh (thay đổi điện áp) được lấy lớn hơn thời gian quá độ của
nguồn, 10ms là thời gian được nhóm tác giả lựa chọn vào thực tế. Tần số của
nguồn do nhóm thực hiện là 50kHz, do đó, tốc độ lấy mẫu được chọn là 100kSps
để lấy kết quả dịng trung bình khơng phụ thuộc vào sóng vân.

Thuật toán điều khiển cân bằng 2 khối được thực hiện như trên hình 10. Như
miêu tả trên hình 10, tín hiệu đưa tới từ bộ cảm biến hai khối nguồn được đưa đến
bộ biến đổi ADC, bộ biến đổi ADC, và các mẫu được lấy liên tục cộng trung bình
trong thời gian 10ms, như vậy, số mẫu cần lưu và lấy trung bình cho mỗi kênh
khoảng 1000 mẫu. Tuy nhiên, do cấu trúc của FPGA nên số mẫu để lấy trung bình
tương ứng cho mỗi kênh là 1024 mẫu. Sau khi lấy mẫu sẽ được thực hiện cộng
trung bình thành mẫu dữ liệu trung bình đầu ra của mỗi kênh.
Bắt đầu
1

2

Lấy mẫu từ hai kênh
ADC

Tính tốn lượng điều
khiển cho hai kênh

Tính tốn trung bình
các mẫu dữ liệu

Tính tốn lượng điều
khiển DAC

So sánh mức trung
bình dữ liệu

Điều khiển DAC đến
từng khối

2
2

Vượt ngưỡng?

1

Hình 10. Lưu đồ thuật tốn.
Hai mẫu trung bình đầu ra từ bộ lấy trung bình được so sánh với nhau theo chu
kỳ 10ms, nếu có sự sai khác giữa hai kênh tương ứng với sai số dòng ≥ 2A sẽ tiến
hành điều chỉnh, mức điều chỉnh sai số hai kênh được bù theo chiều ưu tiên cho
việc tăng dịng cho khối có dịng bé hơn, mỗi lần điều chỉnh tương ứng với 1A. Bộ
biến đổi DAC thực hiện biến đổi tương ứng với mức điều chỉnh 1A cho mỗi lần
điều chỉnh với chu kỳ 10ms, quá trình điều chỉnh được thực hiện cho đến khi hai
174 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”


Thông tin khoa học công nghệ

khối nguồn cân bằng.
4. ÁP DỤNG KẾT QUẢ

Cường độ dòng điện I (A)

Viện VLKT đã thiết kế chế tạo bộ nguồn công công suất gồm 2 nguồn
28,5Vx40A mắc song song, bộ nguồn đã được thử nghiệm tại đơn vị thay thế cho
bộ nguồn đặc chủng trong một thiết bị quân sự có trong trang bị. Thử nghiệm cho
thấy nguồn làm việc tin cậy, đúng như các tham số đã cơng bố trong bài báo.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bộ nguồn này đặt điện áp ban đầu cả hai bộ nguồn
nội tại là 29V, với bước thay đổi một trong hai bộ nguồn là 10mV với một số loại

tải khác nhau đề tài thử nghiệm với ba loại diode công suất: loại Ge, loại Silic và
một loại đặc chủng của Nga, có đặc tuyến nằm giữa Si và Ge thơng thường.
Hình 11 chỉ ra đồ thị phân dòng cho một thử nghiệm bộ nguồn sử dụng phương
pháp cộng dòng sử dụng diode của Nga khi có độ lệch điện áp giữa các bộ nguồn.
20

18

16
I1 (Dịng điện kênh 1)

14

I2 (Dòng điện kênh 2)
I Dòng điện trung bình

12
0

10

20

30

40

50

Độ lệch điện áp 2 kênh ∆U (mV)

Hình 11. Đồ thị phân dòng khi cộng dòng của hai khối nguồn.
Chúng ta thấy rằng, với các diode khác nhau (kể cả diode kếp cùng chung một
vỏ) ở các điểm làm việc khác nhau (dòng tải khác nhau) mặc dù điện áp đầu vào
như nhau (29V) tải có thể cho dịng qua mỗi diode khác nhau, thậm chí khác nhau
rất nhiều. Đây chính là lý do các bộ cộng cơng suất (2 module, 3 module) hay hỏng
hóc. Việc thực hiện cân bằng dòng cho nguồn switching là việc làm cần thiết, đảm
bảo cho nguồn làm việc an toàn, ổn định, lâu dài. Bộ điều khiển cân bằng dịng
ngồi việc đảm bảo dịng các nhánh hội tụ theo dịng trung bình cịn có tác dụng vơ
cùng quan trọng đó là ổn định và giảm đáng kể các trạng thái quá độ tại thời điểm
cấp nguồn cho các tải làm giảm đáng kể tốc độ của toàn hệ thống.
5. KẾT LUẬN
Việc thiết kế chế tạo khối nguồn switching mắc song song để cân bằng dịng là
nhu cầu thực tế, với phần trình bày ở trên, cả lý thuyết và thực tế chứng minh là có
thể làm được và có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016

175


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Bộ điều chỉnh cân bằng thực hiện việc kiểm tra sai số dòng điện giữa hai khối
theo chu kỳ 10ms, đảm bảo điều chỉnh để độ lệch dịng trong hai khối nguồn khơng
vượt q 2A.
Việc thực hiện cân bằng dòng cho nguồn switching là việc làm cần thiết, đảm
bảo cho nguồn làm việc an toàn, ổn định, lâu dài. Bộ điều khiển cân bằng dịng
ngồi việc đảm bảo dịng các nhánh hội tụ theo dịng trung bình cịn có tác dụng vơ
cùng quan trọng đó là ổn định và giảm đáng kể các trạng thái quá độ tại thời điểm
cấp nguồn cho các tải làm giảm đáng kể tốc độ của toàn hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Ali, A., Z. Kai and K. Heikki “Modeling and control design of paralleled DCDC switching converters”, Proceeding of the ICCCP’09, Feb, 2009.
[2]. A. Testa, Fellow Member IEEE. R. Langella, Senior Member IEEE.
“Switching Power Supplies: Analysis of Waveform Distortion”, Power &
Enrgy Society, 2015.
[3]. Bin Zhang, Hong Li, Xia Lei, “The Design of the Parallel Switching Power
Supply System”, Research Juornal of Applied Sciences, October 10, 2013.
[4]. Reason, John, “Solid-State Transfer Switch”: Electrical World, August, 1996
[5]. Yuxuan Sun, Xi Feng, “The Design and Implementation of Switching Power of
High Power Factor in Communication Equipment”, Wuhan, China, Jan, 2015.

ABSTRACT
A METHOD TO REGULATE SWITCHING POWER SUPPLIES
OPERATING IN PARALLEL
One of the critical problems in regulating switching power supplies
operating in parallel is to guarantee the stability and the reasonable
similarity of output currents produced by the elementary power supply
modules. The paper represents a method to regulate this type of switching
power supply adopting digital FPGA-based technology for two module 28.5V
– 40A.
Keywords: Switching, Parallel, FPGA.

Nhận bài ngày 01 tháng 06 năm 2016
Hoàn thiện ngày 26 tháng 09 năm 2016
Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016
Địa chỉ:
*

Viện Vật lý Kỹ thuật, Viện KH&CNQS;
Email:

176 C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.”