幾種實(shí)用的低電壓冗余電源方案設(shè)計(jì)

引 言

??? 對(duì)于一些需要長(zhǎng)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(lèi)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(duì)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(dòng)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(guò)或門(mén)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(huì)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。主電源故障時(shí)備份電源可以立即投入，輸出電壓波動(dòng)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(guò)分別連接二極管陽(yáng)極，以“或門(mén)”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粫?huì)影響電源總線的輸出。

??? 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。考慮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SR1620～SR1660(額定電流16 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(jiǎn)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剑膲航邓鸬墓牟蝗莺鲆暋Ｗ钚航档男ぬ鼗O管也有0．45 V，在大電流時(shí)，例如12 A，就有5 W的功耗，因此要特別處理散熱問(wèn)題。

??? 現(xiàn)在新的冗余電源方案是采用大功率的MOSFET管來(lái)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mΩ，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(wú)需散熱器，所以節(jié)省了大量的電路板面積，也減少了設(shè)備的散熱源。應(yīng)用電路中MOSFET需要有專(zhuān)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(lèi)芯片。

4 新方案中MOSFET的特殊應(yīng)用

??? MOSFET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(duì)MOSFET的認(rèn)識(shí)都存在一定誤區(qū)。為了方便后續(xù)電路的介紹，下面對(duì)其特殊之處作以說(shuō)明。

??? 首先，MOSFET符號(hào)中的箭頭并不代表實(shí)際電流流動(dòng)方向。在三極管應(yīng)用中，電流方向與元件符號(hào)的箭頭方向相同，因此很多人以為MOSFET也是如此。其實(shí)MOSFET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(wú)關(guān)，如圖2所示。

??? 其次，應(yīng)注意MOSFET中二極管的存在。如圖2所示，N溝道MOSFET中源極S接二極管的陽(yáng)極，P溝道MOS-FET中漏極D接二極管的陽(yáng)極。因此，在大多數(shù)把MOSFET當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用的電路中，對(duì)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(duì)于P溝道MOSFET，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MOSFET的電流流動(dòng)方向是雙向的，不同于三極管的單向?qū)ā?duì)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(cè)中只給出了單向?qū)щ娞匦郧€，大多數(shù)應(yīng)用也只是利用了它的單向?qū)щ娞匦裕欢鴮?duì)于其雙向?qū)щ娞匦裕瑒t鮮有文獻(xiàn)介紹。實(shí)際上，MOS-FET為電壓控制器件，通過(guò)柵極電壓的大小改變感應(yīng)電場(chǎng)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MOSFET為例，當(dāng)柵極電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)，無(wú)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，MOSFET不導(dǎo)通。當(dāng)柵極電壓大于開(kāi)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(wú)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(huì)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，電流則會(huì)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的連接方向與常規(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Vi>Vout，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(huì)高于電源輸入電壓Vi，這時(shí)由外部電路控制MOSFET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。

??? 如果需要通過(guò)控制信號(hào)直接控制關(guān)斷MOSFET通路，上述的單管就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殛P(guān)斷MOSFET溝道之后，內(nèi)部的二極管還存在單向通路。這時(shí)需要如圖4所示的2個(gè)背靠背反向連接的MOSFET電路，只有這樣才能主動(dòng)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(lèi)的低壓冗余電源設(shè)計(jì)。針對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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MOSFET控制2路電源輸入，是非常簡(jiǎn)單的方案。它使用2個(gè)MOSFET代替2個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)了“或”的作用，MOSFET的壓降一般為20～30 mV，因此功率損耗非常小，不會(huì)產(chǎn)生太多熱量。

??? 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(guò)G1、G2控制2個(gè)MOSFET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(cè)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MOSFET，防止電流倒流。在防止倒流方面，其他控制芯片也是類(lèi)似的原理。

??? LTC4416還有2個(gè)控制端E1、E2，可以用外部信號(hào)主動(dòng)控制2路電源的通斷，也可以通過(guò)電阻分壓來(lái)監(jiān)測(cè)輸入電壓的高低，來(lái)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(cè)。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(dòng)去關(guān)斷1路電源，外部MOSFET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(guò)外部控制1個(gè)MOSFET來(lái)模擬1個(gè)二極管的“或輸入”。芯片的A、C引腳分別為輸入、輸出電源電壓檢測(cè)引腳，VDD為芯片供電電源，RSET通過(guò)配置不同的外接電阻來(lái)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。

5．2 帶過(guò)、欠壓檢測(cè)的冗余電源方案

??? 圖7是由2個(gè)P12121芯片構(gòu)成的帶過(guò)壓、欠壓檢測(cè)的雙路冗余電源方案。P12121為Vicor(懷格)公司的一款電源冗余專(zhuān)用芯片，由于其內(nèi)部集成有24 A、1．5 mΩ的MOSFET，因此外部電路非常簡(jiǎn)單。芯片OV為過(guò)壓檢測(cè)引腳，高于0．5 V時(shí)MOSFET自動(dòng)切斷；UV為欠壓檢測(cè)引腳，低于0．5 V時(shí)MOSFET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。

5．3 熱插拔及過(guò)、欠壓保護(hù)的冗余電源方案

??? LTC4352是一種除了過(guò)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L(zhǎng)TC4352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(guò)壓、欠壓檢測(cè)，該電路通過(guò)CPO懸空使芯片不能快速通斷MOSFET，依靠欠壓檢測(cè)使GATE引腳在電源上電后延遲開(kāi)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(kāi)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(guò)控制信號(hào)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(guò)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(guò)檢測(cè)電源通路上的電流來(lái)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。

??? RSENSE為電流檢測(cè)電阻，LTC4350檢測(cè)該電阻兩端的電壓，內(nèi)部放大后與GAIN引腳的電壓比較，根據(jù)比較結(jié)果再通過(guò)IOUT引腳的模擬輸出控制輸入電源的電壓變化，以達(dá)到調(diào)整該路電源輸出電流的目的。另外，UV、OV引腳分別為欠壓、過(guò)壓檢測(cè)引腳，LTC4350通過(guò)檢測(cè)這兩個(gè)引腳的電壓可以控制MOSFET的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)的功能。