几种实用的低电压冗余电源方案设计

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～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。

    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。

    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。

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。