摘要：  随着数字仪控系统在工业行业的广泛应用，效率及可靠性更高的开关电源在数字仪控系统设计中的应用也越来越多。采用单台电源供电，电源模块势必在处理巨大功率的同时，因电应力较大，而给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃，所以，对于使用多个小容量开关电源进行扩容及冗余技术的研究尤为重要。

关键字：  可靠性保障技术，冗余设计，电源体系

随着数字仪控系统在工业行业的广泛应用，效率及可靠性更高的开关电源在数字仪控系统设计中的应用也越来越多。采用单台电源供电，电源模块势必在处理巨大功率的同时，因电应力较大，而给功率器件的选择、开关频率和功率密度的提高带来困难。一旦单台电源发生故障，则导致整个系统崩溃，所以，对于使用多个小容量开关电源进行扩容及冗余技术的研究尤为重要。

小容量多电源并联冗余的设计有效地解决了大容量单台电源集中使用缺少冗余保护机制的问题，随着大功率输出和分布式电源的出现，使电源模块并联技术得以迅速发展。模块输出间的直接并联运行必须考虑由于各个模块输出特性不一致而造成每个模块输出不均流的问题，以确保各个电源模块分担相等的负载功率[1-2]。

1 电源冗余及扩容技术介绍[3]

仪控系统的冗余一般都是通过关键设备并联实现的，例如n取p系统中的二取一冗余方法、三取二冗余方法、四取二冗余方法、二取二方法、n+m取n方法等。每种冗余方法的基本机理都是通过设备并联并辅以相应的决策机制来完成冗余设计的，高冗余机制系统在有设备发生故障时，可以降级到低冗余机制运行。例如：当n+m冗余方法中出现p个设备同时故障时，可以降级到n+(m-p)方式运行。

2 冗余方法的失效概率分析

2.1 n+m 电源模块冗余机制概率分析

n+m 电源模块冗余机制图如图2 所示。

RA为n 个设备A 级联正常工作的概率;R 为系统正常工作的概率;F 为系统失效的概率;n 为并联扩容电源

模块的数量;m 为与n 相对应的冗余模块的数量; 假设并联冗余电源具有独立相同的失效模式。系统正常工作的概率：

3 典型冗余配电回路伏安特性分析

3.1 原理图

1+1 配电回路原理图如图3 所示。

图中，A、B 为开关电源;D1 、D2 为解耦二极管;RL为负载;V1为A 电源输出电压;V2为B 电源输出电压;VD1为D1导通时的压降;VD2为D2 导通时的压降;I1为A 电源正端输出电流;I2为A 电源负端返回电流;I3

为B 电源正端输出电流;I4为B 电源负端返回电流;IL为负载电流。

3.2 伏安特性分析计算

V1=I1×Ra+VD1+I1×Rb+IL×Rg+IL×RL+IL×Rh+I2×Rc

V2=Ig×Rd+VD2+I3×Rf+IL×Rg+IL×RL+IL×Rh+I4×Re

V1-V2=I1×(Ra+Rb)+VD1-VD2+I2×Rc-Ig(Rf+Rd)-Ig×Re

当VD1 =VD2，I1 =I2，I3 =I4，Ra =Rd，Rc =Re，Rb =Rf时，V1 -V2=(I1-I2)×(Ra+Rb+Rc)。当V1、V2

不同时，I1、I3将不同; 当Ra+Rb+Rc较小时， 产生的电流差值较大， 由此会产生2个电源模块输出的不均流，给电源模块的长久安全工作带来影响。同时当V1-V2-VD2的值大于DC 0 V 时可以从理论上判断VD1

近似截止， 或者V1-V2-VD1的值大于DC 0 V 时可以从理论上判断VD2近似截止。

3.3 温度对配电回路的影响

配电回路中每个器件都由金属导线连接而成，在金属导线内存在大量电子及正电离子，正离子对电子定向移动

产生的阻挡碰撞决定了电阻的大小。温度越高，正离子震动越剧烈，阻挡效果越好，电阻也越大。当电源模块输出端连接金属导线的温度上升时，电阻会随之增大，相关导线的能耗分压也会增加，会起到部分的补偿作用，但温度因素对仪控系统配电回路中所使用的金属导线阻值绝对值的影响有限，在工程应用计算中可以忽略。电阻计算公式：

R=R0+aT ;R0=ρL/S

式中，R 为电阻阻值;ρ 为电阻率;L 为电阻长度;S 为电阻截面积;a 为电阻的温度系数。

4 开关电源冗余均流试验

为了验证在典型冗余配电回路伏安特性分析中得到的结论及当开关电源输出出现差异时， 出现电源不均

流及功率不一致的问题， 以3+3 型冗余配电回路为对象进行试验分析。试验原理图如图4 所示。

当单个电源高于其他电源时， 试验数据如表1 所 示。当单个电源低于其他时源时，试验数据如表2所示。(RL=196 mΩ)。

从以上两次试验可以看出，在3+3冗余配电体系中，当单个电源电压输出漂移升高时，电源的负载电流输出有较大的上升，相应地电源的发热也会显著地增加，但与此电源并联冗余的电源模块负载输出变化不大，配电系统的总输出上升，对于纯电阻负载来说，负载的发热量有显著的增加。

当单个电源电压输出偏移下降时，此电源模块的负载电流输出会有较大的下降，与此电源并联的其他的电源模块负载输出电压略有上升，电流会有缓慢的上升。当电源模块电压下降了DC 1 050 mV时，此电源模块的输出已经非常小，远低于初始运行的参数值，电源组总的负载功率会有下降。

两次试验的结果证明了3+3体系组成的开关电源组本身对其中单个电源出现偏差的自恢复能力不强，一旦出现上升较多的情况会造成此电源模块的功率会急剧上升，伴随发热量也相应增大，当出现下降较多的情况时，会造成此电源模块的实际出力接近于0，电源组的负载基本上由其他电源一起承担，造成了其他电源模块负担的加重。这两种情况都是并联冗余扩容配电体系设计中不期望看到的。所以，必须采取相应的均流措施才能避免此情况发生，提高系统的可靠性。

5 解决方案

(1)从电源体系上解决，增加电流、电压监视器件，根据配电方案，试验出相应的上下限阈值，加入到仪控系统中去，使模块品质下降的趋势得到预知，再通过维护检修手段提高系统的可靠性。

(2)从器件选型上提高电源模块的品质，选择支持较强输出偏差补偿能力的开关电源模块。从产品上扩大上下限的阈值范围，从而提高系统的可靠性。

(3)从工程设计上增加设计裕度，通过降额实现在个别模块出现极端情况下，品质下降模块的运行参数还保持在额定参数范围之内。

冗余设计策略作为一种被动的可靠性保障技术已经广泛地应用于实际生产生活中，包括本文所描述的并联冗余扩容配电体系，从文中所述系统失效率分析可以看出，n+m系统本身从理论上具有很高的可靠性，3+3冗余系统的理论可用率可以达到11个9的级别，但通过配电回路及试验分析可以得出，电源系统实际的可靠性还和许多其他的因素有关，其中一个重要因素就是并联电源的均流问题。

通过对冗余电源电路的配电回路分析，并辅以试验验证，明确了并联冗余扩容配电体系中均流问题的本质，为在仪控系统中电源的实际工程应用提供了理论指导，从而提高了仪控系统的可靠性。