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(多图) 几种实用的低电压冗余电源方案设计

单片机与嵌入式系统 郑州威科姆电子 张晓健 李志新?? 2009年12月25日 ?? 收藏0

  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。

传统冗余电源方案

  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~SR1660(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。

新方案中MOSFET的特殊应用

  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MOSFET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。


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LTC4352? 冗余电源? Vicor?

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