幾種實用的低電壓冗余電源方案設計

引 言

??? 對于一些需要長時間不間斷操作、高可靠的系統，如基站通信設備、監控設備、服務器等，往往需要高可靠的電源供應。冗余電源設計是其中的關鍵部分，在高可用系統中起著重要作用。冗余電源一般配置2個以上電源。當1個電源出現故障時，其他電源可以立刻投入，不中斷設備的正常運行。這類似于UPS電源的工作原理：當市電斷電時由電池頂替供電。冗余電源的區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)的冗余電源方案設計。

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載能力大于實際負載，這對提高可靠性意義不大。

??? 冗余冷備份是指電源由多個功能相同的模塊組成，正常時由其中一個供電，當其故障時，備份模塊立刻啟動投入工作。這種方式的缺點是電源切換存在時間間隔，容易造成電壓豁口。

??? 并聯均流的N+1備份方式是指電源由多個相同單元組成，各單元通過或門二極管并聯在一起，由各單元同時向設備供電。這種方案在1個電源故障時不會影響負載供電，但負載端短路時容易波及所有單元。冗余熱備份是指電源由多個單元組成，并且同時工作，但只由其中一個向設備供電，其他空載。主電源故障時備份電源可以立即投入，輸出電壓波動很小。本文主要介紹后兩種方案的設計。

2 傳統冗余電源方案

??? 傳統的冗余電源設計方案是由2個或多個電源通過分別連接二極管陽極，以“或門”的方式并聯輸出至電源總線上。如圖1所示。可以讓1個電源單獨工作，也可以讓多個電源同時工作。當其中1個電源出現故障時，由于二極管的單向導通特性，不會影響電源總線的輸出。

??? 在實際的冗余電源系統中，一般電流都比較大，可達幾十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 傳統方案與替代方案的比較

??? 使用二極管的傳統方案電路簡單，但有其固有的缺點：功耗大、發熱嚴重、需加裝散熱片、占用體積大。由于電路中通常為大電流，二極管大部分時間處于前向導通模式，它的壓降所引起的功耗不容忽視。最小壓降的肖特基二極管也有0．45 V，在大電流時，例如12 A，就有5 W的功耗，因此要特別處理散熱問題。

??? 現在新的冗余電源方案是采用大功率的MOSFET管來代替傳統電路中的二極管。MOSFET的導通內阻可以到幾mΩ，大大降低了壓降損耗。在大功率應用中，不僅實現了效率更高的解決方案，而且由于無需散熱器，所以節省了大量的電路板面積，也減少了設備的散熱源。應用電路中MOSFET需要有專業芯片的控制。目前，TI、Linear等各大公司都推出了一些成熟的該類芯片。

4 新方案中MOSFET的特殊應用

??? MOSFET在新的冗余電源方案中是關鍵器件。由于與常規電路中的應用不同，很多人對MOSFET的認識都存在一定誤區。為了方便后續電路的介紹，下面對其特殊之處作以說明。

??? 首先，MOSFET符號中的箭頭并不代表實際電流流動方向。在三極管應用中，電流方向與元件符號的箭頭方向相同，因此很多人以為MOSFET也是如此。其實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，與電流方向無關，如圖2所示。

??? 其次，應注意MOSFET中二極管的存在。如圖2所示，N溝道MOSFET中源極S接二極管的陽極，P溝道MOS-FET中漏極D接二極管的陽極。因此，在大多數把MOSFET當作開關使用的電路中，對于N溝道MOSFET，電流是從漏極流向源極，柵極G接高電壓導通；對于P溝道MOSFET，電流是從源極流向漏極，柵極G接低電壓導通，否則由于二極管的存在，柵極的控制就不能關斷電流通路。

??? 最后，應注意MOSFET的電流流動方向是雙向的，不同于三極管的單向導通。對于MOSFET的導電特性，大多數資料、文獻及器件的數據手冊中只給出了單向導電特性曲線，大多數應用也只是利用了它的單向導電特性；而對于其雙向導電特性，則鮮有文獻介紹。實際上，MOS-FET為電壓控制器件，通過柵極電壓的大小改變感應電場生成的導電溝道的厚度，從而控制漏極電流的大小。以N溝道MOSFET為例，當柵極電壓小于開啟電壓時，無論源、漏極的極性如何，內部背靠背的2個PN結中，總有1個是反向偏置的，形成耗盡層，MOSFET不導通。當柵極電壓大于開啟電壓時，漏極和源極之間形成N型溝道，而N型溝道只是相當于1個無極性的等效電阻，且其電阻很小，此時如果在漏、源極之間加正向電壓，電流就會從漏極流向源極，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，電流則會從源極流向漏極，這種方式很少用到。

??? 在冗余電源的應用電路中，MOSFET的連接方向與常規不同。以N溝道管為例，連接電路應如圖3所示。如果電源輸入電壓高于負載電源電壓，即Vi>Vout，電流由Vi流向Vout。由于是冗余電源應用，負載電源電壓Vout可能會高于電源輸入電壓Vi，這時由外部電路控制MOSFET柵極關斷源、漏通路，同時由于內部二極管的反向阻斷作用，使負載電源不能倒流回輸入電源。

??? 如果需要通過控制信號直接控制關斷MOSFET通路，上述的單管就無法實現，因為關斷MOSFET溝道之后，內部的二極管還存在單向通路。這時需要如圖4所示的2個背靠背反向連接的MOSFET電路，只有這樣才能主動地關斷電流通路。

5 幾種實用冗余電源方案設計

??? 本文主要討論的是DC 5 V、DC 12 V之類的低壓冗余電源設計。針對不同的功能、成本需求，下面給出幾個設計方案實例。

5．1 簡單的冗余電源方案

??? 使用Linear公司的LTC4416可以設計1個簡單的2路電源冗余方案，如圖5所示。圖中用1個LTC4416芯片連接2個外置P溝道MOSFET控制2路電源輸入，是非常簡單的方案。它使用2個MOSFET代替2個二極管實現了“或”的作用，MOSFET的壓降一般為20～30 mV，因此功率損耗非常小，不會產生太多熱量。

??? 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，通過G1、G2控制2個MOSFET同時導通，使2路輸入同時給負載提供電流。當輸入電源電壓不同時，輸出電源電壓可能高于某路輸入電源電壓，這時LTC4416可以防止輸出向輸入倒灌電流。這是因為芯片一直監測輸入與輸出之間的電壓差，當輸出側電壓比輸入側電壓高25 mV時，芯片控制G1或G2立即關斷MOSFET，防止電流倒流。在防止倒流方面，其他控制芯片也是類似的原理。

??? LTC4416還有2個控制端E1、E2，可以用外部信號主動控制2路電源的通斷，也可以通過電阻分壓來監測輸入電壓的高低，來控制某路電源的導通。具體方法可參閱芯片數據手冊。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用，如“電源+電池”的應用。需要注意的是，要讓芯片主動去關斷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，每個芯片通過外部控制1個MOSFET來模擬1個二極管的“或輸入”。芯片的A、C引腳分別為輸入、輸出電源電壓檢測引腳，VDD為芯片供電電源，RSET通過配置不同的外接電阻來調節MOS-FET導通的速度，也可以懸空。由該芯片可以構成多于2路的電源冗余方案。

5．2 帶過、欠壓檢測的冗余電源方案

??? 圖7是由2個P12121芯片構成的帶過壓、欠壓檢測的雙路冗余電源方案。P12121為Vicor(懷格)公司的一款電源冗余專用芯片，由于其內部集成有24 A、1．5 mΩ的MOSFET，因此外部電路非常簡單。芯片OV為過壓檢測引腳，高于0．5 V時MOSFET自動切斷；UV為欠壓檢測引腳，低于0．5 V時MOSFET切斷，FT為狀態輸出引腳，VC為芯片工作電源引腳。使用P12121也可以靈活地構成多路輸入電源方案。

5．3 熱插拔及過、欠壓保護的冗余電源方案

??? LTC4352是一種除了過壓、欠壓保護外，還具備防護電源熱插拔浪涌電流的單路冗余電源芯片。圖8所示為LTC4352構成的單路冗余電源電路，多個這樣的電路并聯可以構成多路冗余電源方案。圖中OV、UV分別為過壓、欠壓檢測，該電路通過CPO懸空使芯片不能快速通斷MOSFET，依靠欠壓檢測使GATE引腳在電源上電后延遲開通MOSFET，由R1、C組成的阻容網絡使電源輸出的電壓上升速度減慢，R2則有效防止了Q的開關振蕩，從而實現了一定的熱插拔浪涌電流保護功能。

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承擔負載電流(即均流控制)，需要外加一個前提，即各輸入電源的電壓能夠通過控制信號被外部調節，以達到各電源電壓基本相同的目的。通過LTC4350控制這種電源，可以實現均流的功能。圖9是1個應用例圖，圖中“SHARE BUS”是各芯片共用的分配總線，該電路主要通過檢測電源通路上的電流來調節輸入電源的電壓，達到各模塊均衡提供電流的目的。

??? RSENSE為電流檢測電阻，LTC4350檢測該電阻兩端的電壓，內部放大后與GAIN引腳的電壓比較，根據比較結果再通過IOUT引腳的模擬輸出控制輸入電源的電壓變化，以達到調整該路電源輸出電流的目的。另外，UV、OV引腳分別為欠壓、過壓檢測引腳，LTC4350通過檢測這兩個引腳的電壓可以控制MOSFET的關斷，實現欠壓保護和過壓保護的功能。