几种适用的低电压冗余电源方案设计

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1、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

2、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

3、，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。电源输出总线电源输入1电源输入2电源输入幵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 SR1620SR1660（额

4、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 mQ，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

5、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、Lin ear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

6、向N极板，与电流方向无关，如图2所示。丄丄丄电源DGZ 沟道 MOSFET管P沟道MOSFET管图2 MOSFET的器件符号及常规应用中的电流方向其次，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

7、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

8、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ViVout ,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。/； rh ! s -tTd si ;d ! j_tnIJZTZl-I I -I!GGG图3

9、冗亲电源中的单管施用S 4MOSFET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

10、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 2030 mV，因此功率损耗非常小，不会产生太多热量。电源输入 5VFSI7495DPZ IS5V|电源输入2LTC4416910丄丄12HlVIElG1GND VSE2G2H2V2G38&611DTTTSDJd5V电源输出图5 使用LTC4416构建双路冗余电源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，

11、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。

12、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。电源输入1TPS2412ARSET BYPGND GATERSVD CVDDSI A |D rn_ jh5 2*2iiF6US|JDRSET BYP GND GATE RSVD C VDDfT GJTPS2412

13、构成的多路冗余电源方案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 mQ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。电源输入1VINlHr-xPI212_帀SNSLs SP OV uv _电源输入2YIN2Fffv

14、vcibn 严F PI2121 D SN SLVC FTJ -lOkilrl=HFT1vciSPOVuvVC丁负载门C2VVC2Fr72个PI2121构建的冗余电源方案FT5. 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0V、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

15、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。电源输入D睜響$启；电源输岀上0R1 lOkfl 12vimIVout33kOIkft3klVinUVSource Gate OutLTC4352VccVGNDHJ51Gpo Status Fault2 号 OJiFLTC4352构成的冗余电源电路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弓|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。