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几种实用的低电压冗余电源方案设计

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几种实用的低电压冗余电源方案设计

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几种实用的低电压冗余电源方案设计 引言 对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统,如基站通信设备、监控 设备、服务器等,往往需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分, 在高可用系统中起着重要作用。冗余电源一般配置 2 个以上电源。当 1 个电源出 现故障时,其他电源可以立刻投入,不中断设备的正常运行。这类似于 UPS 电源 的工作原理:当市电断电时由电池顶替供电。冗余电源的区别主要是由不同的电 源供电。 电源冗余有交流 220 V 及各种直流电压的应用,本文主要介绍低压直流(如 DC 5 V、DC 12 V 等)的冗余电源方案设计。 1 冗余电源介绍 电源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的 N+1 备份、冗余热备份等方式。容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载,这 对提高可靠性意义不大。 冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成,正常时由其中一个供电, 当其故障时,备份模块立刻启动投入工作。这种方式的缺点是电源切换存在时间 间隔,容易造成电压豁口。 并联均流的 N+1 备份方式是指电源由多个相同单元组成,各单元通过或门 二极管并联在一起,由各单元同时向设备供电。这种方案在 1 个电源故障时不会 影响负载供电,但负载端短路时容易波及所有单元。冗余热备份是指电源由多个 单元组成,并且同时工作,但只由其中一个向设备供电,其他空载。主电源故障 时备份电源可以立即投入,输出电压波动很小。本文主要介绍后两种方案的设计。 2 传统冗余电源方案 传统的冗余电源设计方案是由 2 个或多个电源通过分别连接二极管阳极, 以“或门”的方式并联输出至电源总线上。如图 1 所示。可以让 1 个电源单独工 作,也可以让多个电源同时工作。当其中 1 个电源出现故障时,由于二极管的单 向导通特性,不会影响电源总线的输出。 在实际的冗余电源系统中,一般电流都比较大,可达几十 A。考虑到二极管 本身的功耗,一般选用压降较低、电流较大的肖特基二极管,比如 SR1620~SR1 660(额定电流 16 A)。通常这些二极管上还需要安装散热片,以利于散热。 3 传统方案与替代方案的比较 使用二极管的传统方案电路简单,但有其固有的缺点:功耗大、发热严重、 需加装散热片、占用体积大。由于电路中通常为大电流,二极管大部分时间处于 前向导通模式,它的压降所引起的功耗不容忽视。最小压降的肖特基二极管也有 0.45 V,在大电流时,例如 12 A,就有 5 W 的功耗,因此要特别处理散热问题。 现在新的冗余电源方案是采用大功率的 MOSFET 管来代替传统电路中的二极 管。MOSFET 的导通内阻可以到几 mΩ,大大降低了压降损耗。在大功率应用中, 不仅实现了效率更高的解决方案,而且由于无需散热器,所以节省了大量的电路 板面积,也减少了设备的散热源。应用电路中 MOSFET 需要有专业芯片的控制。 目前,TI、Linear 等各大公司都推出了一些成熟的该类芯片。 4 新方案中 MOSFET 的特殊应用 MOSFET 在新的冗余电源方案中是关键器件。由于与常规电路中的应用不同, 很多人对 MOSFET 的认识都存在一定误区。为了方便后续电路的介绍,下面对其 特殊之处作以说明。 首先,MOSFET 符号中的箭头并不代表实际电流流动方向。在三极管应用中, 电流方向与元件符号的箭头方向相同,因此很多人以为 MOSFET 也是如此。其实 MOSFET 与三极管不同,它的箭头方向只是表示从 P 极板指向 N 极板,与电流方 向无关,如图 2 所示。 其次,应注意 MOSFET 中二极管的存在。如图 2 所示,N 沟道 MOSFET 中源极 S 接二极管的阳极,P 沟道 MOS-FET 中漏极 D 接二极管的阳极。因此,在大多数 把 MOSFET 当作开关使用的电路中,对于 N 沟道 MOSFET,电流是从漏极流向源极, 栅极 G 接高电压导通;对于 P 沟道 MOSFET,电流是从源极流向漏极,栅极 G 接 低电压导通,否则由于二极管的存在,栅极的控制就不能关断电流通路。 最后,应注意 MOSFET 的电流流动方向是双向的,不同于三极管的单向导通。 对于 MOSFET 的导电特性,大多数资料、文献及器件的数据手册中只给出了单向 导电特性曲线,大多数应用也只是利用了它的单向导电特性;而对于其双向导电 特性,则鲜有文献介绍。实际上,MOS-FET 为电压控制器件,通过栅极电压的大 小改变感应电场生成的导电沟道的厚度,从而控制漏极电流的大小。以 N 沟道 M OSFET 为例,当栅极电压小于开启电压时,无论源、漏极的极性如何,内部背靠 背的 2 个 PN 结中,总有 1 个是反向偏置的,形成耗尽层,MOSFET 不导通。当栅 极电压大于开启电压时,漏极和源极之间形成 N 型沟道,而 N 型沟道只是相当于 1 个无极性的等效电阻,且其电阻很小,此时如果在漏、源极之间加正向电压, 电流就会从漏极流向源极,这是通常采用的一种方式;而如果在漏、源极之间加 反向电压,电流则会从源极流向漏极,这种方式很少用到。 在冗余电源的应用电路中,MOSFET 的连接方向与常规不同。以 N 沟道管为 例,连接电路应如图 3 所示。如果电源输入电压高于负载电源电压,即 Vi>Vout, 电流由 Vi 流向 Vout。由于是冗余电源应用,负载电源电压 Vout 可能会高于电 源输入电压 Vi,这时由外部电路控制 MOSFET 栅极关断源、漏通路,同时由于内 部二极管的反向阻断作用,使负载电源不能倒流回输入电源。 如果需要通过控制信号直接控制关断 MOSFET 通路,上述的单管就无法实现, 因为关断 MOSFET 沟道之后,内部的二极管还存在单向通路。这时需要如图 4 所 示的 2 个背靠背反向连接的 MOSFET 电路,只有这样才能主动地关断电流通路。 5 几种实用冗余电源方案设计 本文主要讨论的是 DC 5 V、DC 12 V 之类的低压冗余电源设计。针对不同 的功能、成本需求,下面给出几个设计方案实例。 5.1 简单的冗余电源方案 使用 Linear 公司的 LTC4416 可以设计 1 个简单的 2 路电源冗余方案,如图 5 所示。图中用 1 个 LTC4416 芯片连接 2 个外置 P 沟道 MOSFET 控制 2 路电源输 入,是非常简单的方案。它使用 2 个 MOSFET 代替 2 个二极管实现了“或”的作 用,MOSFET 的压降一般为 20~30 mV,因此功率损耗非常小,不会产生太多热量。 该电路的工作原理是,LTC4416 在 2 路输入电源的电压相同(差值小于 100 mV)时,通过 G1、G2 控制 2 个 MOSFET 同时导通,使 2 路输入同时给负载提供电 流。当输入电源电压不同时,输出电源电压可能高于某路输入电源电压,这时 L TC4416 可以防止输出向输入倒灌电流。这是因为芯片一直监测输入与输出之间 的电压差,当输出侧电压比输入侧电压高 25 mV 时,芯片控制 G1 或 G2 立即关断 MOSFET,防止电流倒流。在防止倒流方面,其他控制芯片也是类似的原理。 LTC4416 还有 2 个控制端 E1、E2,可以用外部信号主动控制 2 路电源的通 断,也可以通过电阻分压来监测输入电压的高低,来控制某路电源的导通。具体 方法可参阅芯片数据手册。该芯片也适合于 1 路输入电源电压高、1 路输入电源 电压低的应用,如“电源+电池”的应用。需要注意的是,要让芯片主动去关断 1 路电源,外部 MOSFET 必须使用“背靠背”的方案,如图 4 所示。 另外,使用 TI 公司的 TPS2412 可以构成多路输入电源方案,这种方案需要 为每路输入电源配置 1 片 TPS2412。如图 6 所示,每个芯片通过外部控制 1 个 M OSFET 来模拟 1 个二极管的“或输入”。芯片的 A、C 引脚分别为输入、输出电 源电压检测引脚,VDD 为芯片供电电源,RSET 通过配置不同的外接电阻来调节 M OS-FET 导通的速度,也可以悬空。由该芯片可以构成多于 2 路的电源冗余方案。 5.2 带过、欠压检测的冗余电源方案 图 7 是由 2 个 P12121 芯片构成的带过压、欠压检测的双路冗余电源方案。 P12121 为 Vicor(怀格)公司的一款电源冗余专用芯片,由于其内部集成有 24 A、 1.5 mΩ的 MOSFET,因此外部电路非常简单。芯片 OV 为过压检测引脚,高于 0.5 V 时 MOSFET 自动切断;UV 为欠压检测引脚,低于 0.5 V 时 MOSFET 切断,FT 为状态输出引脚,VC 为芯片工作电源引脚。使用 P12121 也可以灵活地构成多路 输入电源方案。 5.3 热插拔及过、欠压保护的冗余电源方案 LTC4352 是一种除了过压、欠压保护外,还具备防护电源热插拔浪涌电流的 单路冗余电源芯片。图 8 所示为 LTC4352 构成的单路冗余电源电路,多个这样的 电路并联可以构成多路冗余电源方案。图中 OV、UV 分别为过压、欠压检测,该 电路通过 CPO 悬空使芯片不能快速通断 MOSFET,依靠欠压检测使 GATE 引脚在电 源上电后延迟开通 MOSFET,由 R1、C 组成的阻容网络使电源输出的电压上升速 度减慢,R2 则有效防止了 Q 的开关振荡,从而实现了一定的热插拔浪涌电流保 护功能。 5.4 均流控制的冗余电源方案 若要使不同的输入电源同时承担负载电流(即均流控制),需要外加一个前 提,即各输入电源的电压能够通过控制信号被外部调节,以达到各电源电压基本 相同的目的。通过 LTC4350 控制这种电源,可以实现均流的功能。图 9 是 1 个应 用例图,图中“SHARE BUS”是各芯片共用的分配总线,该电路主要通过检测电 源通路上的电流来调节输入电源的电压,达到各模块均衡提供电流的目的。 RSENSE 为电流检测电阻,LTC4350 检测该电阻两端的电压,内部放大后与 G AIN 引脚的电压比较,根据比较结果再通过 IOUT 引脚的模拟输出控制输入电源 的电压变化,以达到调整该路电源输出电流的目的。另外,UV、OV 引脚分别为 欠压、过压检测引脚,LTC4350 通过检测这两个引脚的电压可以控制 MOSFET 的 关断,实现欠压保护和过压保护的功能。

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