幾種實(shí)用的低電壓冗余電源方案設(shè)計(jì)

1、幾種實(shí)用的低電壓冗余電源方案設(shè)計(jì)引言對于一些需要長時(shí)間不間斷操作、高可靠的系統(tǒng)，如基站通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、服務(wù) 器等， 往往需要高可靠的電源供應(yīng)。 冗余電源設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵部分， 在高可用系統(tǒng)中起著 重要作用。 冗余電源一般配置 2 個(gè)以上電源。 當(dāng) 1 個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)， 其他電源可以立刻投 入，不中斷設(shè)備的正常運(yùn)行。 這類似于UPS電源的工作原理：當(dāng)市電斷電時(shí)由電池頂替供電。 冗余電源的區(qū)別主要是由不同的電源供電。電源冗余有交流 220 V 及各種直流電壓的應(yīng)用，本文主要介紹低壓直流（ 如 DC 5 V 、DC 12 V 等）的冗余電源方案設(shè)計(jì)。1 冗余電源介紹電源冗余一般可以采取的方案有

2、容量冗余、冗余冷備份、并聯(lián)均流的N+1備份、冗余熱備份等方式。 容量冗余是指電源的最大負(fù)載能力大于實(shí)際負(fù)載， 這對提高可靠性意義不大。冗余冷備份是指電源由多個(gè)功能相同的模塊組成，正常時(shí)由其中一個(gè)供電，當(dāng)其故障 時(shí)，備份模塊立刻啟動投入工作。 這種方式的缺點(diǎn)是電源切換存在時(shí)間間隔， 容易造成電壓 豁口。并聯(lián)均流的 N+1 備份方式是指電源由多個(gè)相同單元組成，各單元通過或門二極管并聯(lián) 在一起， 由各單元同時(shí)向設(shè)備供電。 這種方案在 1 個(gè)電源故障時(shí)不會影響負(fù)載供電， 但負(fù)載 端短路時(shí)容易波及所有單元。 冗余熱備份是指電源由多個(gè)單元組成， 并且同時(shí)工作， 但只由 其中一個(gè)向設(shè)備供電， 其他空載。 主

3、電源故障時(shí)備份電源可以立即投入， 輸出電壓波動很小。 本文主要介紹后兩種方案的設(shè)計(jì)。2 傳統(tǒng)冗余電源方案傳統(tǒng)的冗余電源設(shè)計(jì)方案是由 2 個(gè)或多個(gè)電源通過分別連接二極管陽極，以“或門” 的方式并聯(lián)輸出至電源總線上。 如圖 1 所示。 可以讓 1 個(gè)電源單獨(dú)工作， 也可以讓多個(gè)電源 同時(shí)工作。 當(dāng)其中 1 個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)， 由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕?不會影響電源總線的 輸出。電源輸出總線傳統(tǒng)冗余電源方案電源輸入1 電源輸入2電源輸入77在實(shí)際的冗余電源系統(tǒng)中，一般電流都比較大，可達(dá)幾十A?？紤]到二極管本身的功耗，一般選用壓降較低、電流較大的肖特基二極管，比如SR1620SR1660（額定電流1

4、6 A）。通常這些二極管上還需要安裝散熱片，以利于散熱。3傳統(tǒng)方案與替代方案的比較使用二極管的傳統(tǒng)方案電路簡單，但有其固有的缺點(diǎn)：功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重、需加裝散熱片、占用體積大。由于電路中通常為大電流，二極管大部分時(shí)間處于前向?qū)Ｊ?，它的壓降所引起的功耗不容忽視。最小壓降的肖特基二極管也有0. 45 V,在大電流時(shí)，例如12A,就有5 W的功耗，因此要特別處理散熱問題?，F(xiàn)在新的冗余電源方案是采用大功率的MOSFE管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的二極管。MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻可以到幾 m,大大降低了壓降損耗。在大功率應(yīng)用中，不僅實(shí)現(xiàn)了效率更高的 解決方案，而且由于無需散熱器，所以節(jié)省了大量的電路板面積，也減少

5、了設(shè)備的散熱源。應(yīng)用電路中MOSFET要有專業(yè)芯片的控制。目前，TI、Linear等各大公司都推出了一些成熟的該類芯片。4新方案中MOSFET勺特殊應(yīng)用MOSFE在新的冗余電源方案中是關(guān)鍵器件。由于與常規(guī)電路中的應(yīng)用不同，很多人對 MOSFET勺認(rèn)識都存在一定誤區(qū)。為了方便后續(xù)電路的介紹，下面對其特殊之處作以說明。首先，MOSFE符號中的箭頭并不代表實(shí)際電流流動方向。在三極管應(yīng)用中，電流方向 與元件符號的箭頭方向相同， 因此很多人以為 MOSFE也是如此。其實(shí)MOSFE與三極管不同,它的箭頭方向只是表示從 P極板指向N極板，與電流方向無關(guān)，如圖 2所示。電源D電源負(fù)載GZ 溝道 MOSFET管

6、P溝道MOSFET管E,-1MOSFET的器件符號及常規(guī)應(yīng)用中的電流方向其次，應(yīng)注意 MOSFE中二極管的存在。如圖 2所示，N溝道MOSFET源極S接二極管 的陽極，P溝道MOS-FE沖漏極D接二極管的陽極。因此，在大多數(shù)把 MOSFET作開關(guān)使 用的電路中，對于 N溝道MOSFET電流是從漏極流向源極，柵極 G接高電壓導(dǎo)通；對于 P 溝道MOSFEJ電流是從源極流向漏極，柵極 G接低電壓導(dǎo)通，否則由于二極管的存在，柵 極的控制就不能關(guān)斷電流通路。最后，應(yīng)注意MOSFE的電流流動方向是雙向的， 不同于三極管的單向?qū)ā?對于MOSFET 的導(dǎo)電特性，大多數(shù)資料、文獻(xiàn)及器件的數(shù)據(jù)手冊中只給出了

7、單向?qū)щ娞匦郧€，大多數(shù)應(yīng)用也只是利用了它的單向?qū)щ娞匦?；而對于其雙向?qū)щ娞匦?，則鮮有文獻(xiàn)介紹。實(shí)際上， MOS-FET為電壓控制器件，通過柵極電壓的大小改變感應(yīng)電場生成的導(dǎo)電溝道的厚度，從而 控制漏極電流的大小。以 N溝道MOSFE為例，當(dāng)柵極電壓小于開啟電壓時(shí)，無論源、漏極 的極性如何，內(nèi)部背靠背的 2個(gè)PN結(jié)中，總有1個(gè)是反向偏置的，形成耗盡層，MOSFE不導(dǎo)通。當(dāng)柵極電壓大于開啟電壓時(shí)，漏極和源極之間形成 N型溝道，而N型溝道只是相當(dāng)于1個(gè)無極性的等效電阻，且其電阻很小，此時(shí)如果在漏、源極之間加正向電壓，電流就會從 漏極流向源極，這是通常采用的一種方式；而如果在漏、源極之間加反向電壓，

8、電流則會從源極流向漏極，這種方式很少用到。在冗余電源的應(yīng)用電路中，MOSFET勺連接方向與常規(guī)不同。以 N溝道管為例，連接電路應(yīng)如圖3所示。如果電源輸入電壓高于負(fù)載電源電壓，即ViVout ,電流由Vi流向Vout。由于是冗余電源應(yīng)用，負(fù)載電源電壓Vout可能會高于電源輸入電壓 Vi，這時(shí)由外部電路控制MOSFE柵極關(guān)斷源、漏通路，同時(shí)由于內(nèi)部二極管的反向阻斷作用，使負(fù)載電源不能倒 流回輸入電源。I|3 F I II|，圖3冗余電源中的單管施用AB A mosfet電路如果需要通過控制信號直接控制關(guān)斷MOSFET!路，上述的單管就無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殛P(guān)斷MOSFE溝道之后，內(nèi)部的二極管還存在單向通路

9、。這時(shí)需要如圖4所示的2個(gè)背靠背反向連接的MOSFE電路，只有這樣才能主動地關(guān)斷電流通路。5幾種實(shí)用冗余電源方案設(shè)計(jì)本文主要討論的是 DC 5 V、DC 12 V之類的低壓冗余電源設(shè)計(jì)。針對不同的功能、成 本需求，下面給出幾個(gè)設(shè)計(jì)方案實(shí)例。5. 1簡單的冗余電源方案使用Linear公司的LTC4416可以設(shè)計(jì)1個(gè)簡單的2路電源冗余方案，如圖5所示。圖 中用1個(gè)LTC4416芯片連接2個(gè)外置P溝道MOSFE控制2路電源輸入，是非常簡單的方案。 它使用2個(gè)MOSFE代替2個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)了“或”的作用，MOSFET勺壓降一般為2030 mV因此功率損耗非常小，不會產(chǎn)生太多熱量。電源輸入 5VFSI74

10、95DPDI A ISLT-i2-LA.5VI電源輸入2LTC4416丄丄H1VIElG1GND VSE2G2H2V210G8 67G|Odt V TSH5V 電源輸出圖5 使用LTC4416構(gòu)建雙路冗余電源該電路的工作原理是，LTC4416在2路輸入電源的電壓相同（差值小于100 mV）時(shí)，通過G1、G2控制2個(gè)MOSFE同時(shí)導(dǎo)通，使2路輸入同時(shí)給負(fù)載提供電流。當(dāng)輸入電源電壓不同時(shí)，輸出電源電壓可能高于某路輸入電源電壓，這時(shí)LTC4416可以防止輸出向輸入倒灌電流。這是因?yàn)樾酒恢北O(jiān)測輸入與輸出之間的電壓差，當(dāng)輸出側(cè)電壓比輸入側(cè)電壓高25 mV時(shí)，芯片控制G1或G2立即關(guān)斷MOSFEJ防止電

11、流倒流。在防止倒流方面，其他控制芯片 也是類似的原理。LTC4416還有2個(gè)控制端E1、E2,可以用外部信號主動控制2路電源的通斷，也可以通過電阻分壓來監(jiān)測輸入電壓的高低， 來控制某路電源的導(dǎo)通。具體方法可參閱芯片數(shù)據(jù)手 冊。該芯片也適合于 1路輸入電源電壓高、1路輸入電源電壓低的應(yīng)用，如“電源 +電池” 的應(yīng)用。需要注意的是，要讓芯片主動去關(guān)斷1路電源，外部 MOSFE必須使用“背靠背”的方案，如圖4所示。另外，使用TI公司的TPS2412可以構(gòu)成多路輸入電源方案，這種方案需要為每路輸入電源配置1片TPS2412如圖6所示，每個(gè)芯片通過外部控制1個(gè)MOSFE來模擬1個(gè)二極管的“或輸入”。芯片

12、的 A、C引腳分別為輸入、輸出電源電壓檢測引腳，VDD為芯片供電電源，RSET通過配置不同的外接電阻來調(diào)節(jié)MOS-FET導(dǎo)通的速度，也可以懸空。由該芯片可以構(gòu)成多于2路的電源冗余方案。TPS24127rT G6U電源輸入1ARSET BYPGND GATERSVD CVDD電源輸入S| 口 DTPS2412A RSET BYP GND GATE RSVD C VDDfT GTPS2412構(gòu)成的多路冗余電源方案5. 2帶過、欠壓檢測的冗余電源方案圖7是由2個(gè)P12121芯片構(gòu)成的帶過壓、欠壓檢測的雙路冗余電源方案。P12121為Vicor（懷格）公司的一款電源冗余專用芯片，由于其內(nèi)部集成有24

13、A、1. 5 mQ的MOSFEJ因此外部電路非常簡單。芯片OV為過壓檢測引腳，高于 0. 5 V時(shí)MOSFE自動切斷；UV為欠壓檢測引腳，低于 0. 5 V時(shí)MOSFE切斷，F(xiàn)T為狀態(tài)輸出引腳，VC為芯片工作電源引腳。 使用P12121也可以靈活地構(gòu)成多路輸入電源方案。電源輸入1VINlHr-xPI21211 D SP SN OV SL UV _ VC FTJ-lOkllVC1電源輸入2VTN2FffV VC1H-嚴(yán)FPI2121 D SNSLFT1VC2FrSPOVUVVCFT丁負(fù)載門C2V72個(gè)PI2121構(gòu)建的冗余電源方案5. 3熱插拔及過、欠壓保護(hù)的冗余電源方案LTC4352是一種除了

14、過壓、欠壓保護(hù)外，還具備防護(hù)電源熱插拔浪涌電流的單路冗余電源芯片。圖8所示為LTC4352構(gòu)成的單路冗余電源電路， 多個(gè)這樣的電路并聯(lián)可以構(gòu)成多 路冗余電源方案。圖中 OV、UV分別為過壓、欠壓檢測，該電路通過CPO懸空使芯片不能快速通斷MOSFET依靠欠壓檢測使 GATE引腳在電源上電后延遲開通MOSFET由R1、C組成的阻容網(wǎng)絡(luò)使電源輸出的電壓上升速度減慢，R2則有效防止了 Q的開關(guān)振蕩，從而實(shí)現(xiàn)了一定的熱插拔浪涌電流保護(hù)功能。5. 4均流控制的冗余電源方案若要使不同的輸入電源同時(shí)承擔(dān)負(fù)載電流（即均流控制），需要外加一個(gè)前提，即各輸入電源的電壓能夠通過控制信號被外部調(diào)節(jié)，以達(dá)到各電源電壓基本相同的目的。通過LTC4350控制這種電源，可以實(shí)現(xiàn)均流的功能。圖9是1個(gè)應(yīng)用例圖，圖中“ SHARE BUS是各芯片共用的分配總線，該電路主要通過檢測電源通路上的電流來調(diào)節(jié)輸入電源的電壓， 達(dá)到各模塊均衡提供電流的目的。電源輸入d嚳書sr3源輸出土O.ljiFR1 lOkfl 12VinfIVoutlOkQa-33knLVinSource GateOutiknn?UVLTC4352V