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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

  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。

连接电路

  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。

使用Linear公司的LTC4416可以设计1个简单的2路电源冗余方案

  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LTC4416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MOSFET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MOS-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。

使用TI公司的TPS2412可以构成多路输入电源方案

  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。

由2个P12121芯片构成的带过压

  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。

LTC4352构成的单路冗余电源电路

  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GAIN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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LTC4352? 冗余电源? Vicor?

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