Cân bằng nguồn xung - Switching mắc song song

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.” 170 
CÂN BẰNG NGUỒN XUNG - SWITCHING MẮC SONG SONG 
Chu Xuân Quang*, Nguyễn Văn Thành, Đặng Anh Tuấn 
Tóm tắt: Bài toán trình bày phương pháp cân bằng dòng cho nguồn switching 
mắc song song để đảm bảo các khối nguồn cơ sở có dòng điện đầu ra giống nhau. 
Bài báo đưa ra ví dụ cân bằng nguồn switching trên cơ sở kỹ thuật số sử dụng công 
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. 
PS1
PSn
+U1
+Un
D1
Dn
I1
In Rt
Hình 1. Nguồn mắc song song các module switching. 
Trong đó: 
PS1, PS2PSn là các nguồn thứ 1 đến thứ n. 
D1, D2Dn là các Didode 
Các nguồn PS1, PS2PSn 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, D2Dn 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, I2In đều như nhau hoặc 
gần như nhau. 
Trong thực tế, không tồn tại các điều kiện lý tưởng. Do thời gian, nhiệt độ thay 
đổigây 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 dòng dẫn tới hòng hóc nguồn ảnh 
hưởng tới thiết bị nuôi. Bài báo này trình bày một phương pháp cân bằng dòng cho 
nguồn switching. Nguyên 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 toàn thông thường 
là các nguồn có công suất đủ lớn. Các nguồn này theo thiết kế được xây dựng trên 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 171
nền tảng nguồn xung loại 1 theo phân loại của Nga như sơ đồ hình 2. 
K
+E
D
L
C
+
Ur
Tải
Hình 2. Sơ đồ nguồn xung loại 1. 
Theo sơ đồ khóa K đóng mở theo chu kỳ T, thời gian mở khóa (cho dòng chạy 
qua) Tx. 
TTx 2T t
Ur
E
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 công 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 mô tả 
trong hình 4. 
L
K1
K2 K4
K3
+E
C
+
Tải
+U
Hình 4. Nguồn loại một dùng với biến thế (Transformer). 
Điện áp ra: 
2. TÍNH TOÁN 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 toán để thay đổi điện áp ra sao cho 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.” 172 
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 dòng lệch 
không quá 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 mô hình nguyên lý chung của mạch bù điện áp. 
R13 27R
R
1
5
2
K
7
R23
47K
U2
TL431
R31
22K
R
1
2
1
6
4
K
C5
221
30
E2
Vref
C11 122
19
E1
R29 33K
R
1
1
6
8
K
R20 3K9
R
1
7
4
7
0
R
Q3
Dual Diode
1 2
3
A KK
A
R21 470K
R22
3K3
R33
3K3
R25 27R
VCC_494
Vref
C4
104
R27 220R
C6
2,2uF/16V
DAC
R30 7K5
C8
2.2uF/16V
R
2
4
3
K
9
8
Vref
R32 220R
1
R16
5K
2,3,6,7
R
1
0
6
8
K
R28
3K3
+28.5V
R26
100R
+28.5V
C7 22uF/16V
C9
472
C10
221
U4
TL494I
12
71
2
1
6
15
8
11
3
4
1
3
9
10
5
1
4
6 VCC
G
N
D
IN
1
+
IN1-
IN
2
+
IN2-
C1
C2
C
O
M
P
DTC
O
C
E1
E2
CT
V
R
E
F
RT
R18
330R
R
1
4
7
5
K
U3
HCPL0500
2
3
5
6
7
8
Hình 5. Sơ đồ mạch hiệu chỉnh điện áp 28,5V - 40A bằng phần mềm. 
+
-
DA
R2
R3
Điện áp chuẩn 
(Uref)
R1
Hình 6. Mạch bù điện áp. 
Như vậy, sơ đồ khối hệ thống nguồn mắc song song có xử lý cân bằng dòng 
được thể hiện như sau: 
ADC1 Cách ly FPGA DAC1
ADCn Cách ly DACn
Sensor dòng 
khối nguồn 1
Sensor dòng 
khối nguồn n
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. 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 173
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 thông dụng được sử dụng cho 
mục đích này, chọn hai loại diode có dòng 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 dòng 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 dòng 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 TOÁN, VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 
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 dòng lệch không 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.” 174 
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 dòng trung bình không 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
Lấy mẫu từ hai kênh 
ADC
Tính toán trung bình 
các mẫu dữ liệu
So sánh mức trung 
bình dữ liệu
Vượt ngưỡng?
1
2
2
1
Tính toán lượng điều 
khiển cho hai kênh
Tính toán lượng điều 
khiển DAC
Điều khiển DAC đến 
từng khối
2
Hình 10. Lưu đồ thuật toán. 
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 dòng cho khối có dòng 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 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 175
khối nguồn cân bằng. 
4. ÁP DỤNG KẾT QUẢ 
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 công 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 thông 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. 
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50
I1 (Dòng điện kênh 1)
I2 (Dòng điện kênh 2)
I Dòng điện trung bình
Độ lệch điện áp 2 kênh ∆U (mV)
C
ư
ờ
ng
độ
 d
ò
n
g 
đ
iệ
n 
I 
(A
)
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 dòng qua mỗi diode khác nhau, thậm chí khác nhau 
rất nhiều. Đây chính là lý do các bộ cộng công 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 dòng 
ngoài việc đảm bảo dòng các nhánh hội tụ theo dòng trung bình còn có tác dụng vô 
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 dòng 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. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
C.X. Quang, N.V. Thành, Đ.A. Tuấn, “Cân bằng nguồn xung – switching mắc song song.” 176 
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 dòng trong hai khối nguồn không 
vượt quá 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 dòng 
ngoài việc đảm bảo dòng các nhánh hội tụ theo dòng trung bình còn có tác dụng vô 
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 DC-
DC 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: cxquang2004@yahoo.com.