如何選擇電源
由于電子產(chǎn)品的風(fēng)靡,能夠用多種電源供電的設(shè)備已經(jīng)屢見不鮮了。例如,工業(yè)手持式儀表或便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備大部分時間用電池供電,但一旦插入交流適配器或 USB 端口,就從交流適配器或 USB 端口吸取功率了,這時既為電池充電,又為系統(tǒng)供電。在移動系統(tǒng)的另一端,大型高可用性服務(wù)器機架內(nèi)至少有兩個電源,以在任何一個電源出故障時,保持服務(wù)器正常運行。存儲服務(wù)器則用超級電容器作備份電源,以在主電源斷開時,干凈利落地實現(xiàn)無差錯停機,當然,也有些服務(wù)器采用大電流主電源和小電流輔助電源。所有這些系統(tǒng)都面臨著一項重要任務(wù),即在各種不同的可用電源中,選擇一個為系統(tǒng)負載供電。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/328010.htm電源多路復(fù)用中隱藏的問題
在給定環(huán)境中選擇合適電源這一任務(wù),聽起來簡單輕松,但是如果選擇不當,后果很嚴重,可能造成系統(tǒng)故障并損壞電源。如果加在電源輸出端的電壓較高,那么在并聯(lián)工作的電源之間進行切換可能導(dǎo)致電流回流到電源中。有些電源如果遭遇能量返回,就會出現(xiàn)故障,使控制環(huán)路中斷,引起電源輸入端子過壓,這有可能導(dǎo)致電容器及其他器件燒掉。并聯(lián)電源切換時還存在一個風(fēng)險,即所有電源與輸出之間的斷接時間都可能過長,導(dǎo)致輸出電壓下降,系統(tǒng)復(fù)位或系統(tǒng)運行不正常。當電源之間的電壓比較接近時,會出現(xiàn)第三個問題。有些基于比較器的控制方法引入了一種振蕩模式,即在電源之間連續(xù)切換,這樣一來,電源之間的切換就需要周密設(shè)計了。
相同的電源
讓我們從最簡單的情況開始——由兩個相同的電源給一個系統(tǒng)供電。這里相同的含義是,相同的標稱電壓,其變化在電源容限范圍內(nèi),通常為百分之幾。這種情況出現(xiàn)在高可用性服務(wù)器中,這類服務(wù)器配備兩個或更多冗余電源,以在任何電源出現(xiàn)故障時,能夠不間斷運行。在這類系統(tǒng)中,一種簡單的方法是,選擇電壓最高的電源給系統(tǒng)供電。兩個二極管的陽極分別連接兩個電源,陰極則連在一起,形成所謂的二極管“或”電路,這樣就實現(xiàn)了由電壓較高的電源供電的功能 (參見圖 1)。僅連入一個電源時,這個電路也正常工作。存在兩個電源時,電壓較高的那個電源,其二極管正向偏置,另一個二極管則反向偏置。
圖 1:兩個電源的二極管“或”電路向負載供電
新式服務(wù)器中有多個板卡,功率輕易就能超過千瓦,因此 12V DC 電源須提供 50A 到 100A 的電流。運用普通的老式二極管,即使是壓差較低的肖特基二極管,對這樣兩個 12V 電源進行二極管“或”,如果不是不可能,也要面臨可怕的熱量管理任務(wù),因為在這么大電流時,兩個二極管的電壓下降 1V,就會消耗很大的功率,例如,在 50A 電流時,功耗為 50W。因此需要壓差低得多的理想二極管。正像解決其他許多電路問題時一樣,MOSFET 再次伸出了援手。MOSFET 加上一個檢測電路,可起到理想二極管的作用,正向偏置時 (輸入高于輸出),接通壓差非常低,反向偏置時 (輸入低于輸出) 則斷開。理想二極管壓差可降至普通二極管的 1/10,因此功耗降至可應(yīng)對的 5W。通過 RDS(ON) 為 2mΩ 的單個或并聯(lián) N 溝道 MOSFET,很容易實現(xiàn)這樣的理想二極管“或”電路。圖 2 顯示了一個這樣的電路及其 I-V 曲線。凌力爾特的 LTC4352 控制一個 N 溝道 MOSFET,以實現(xiàn)理想二極管功能。這樣的兩個電路并聯(lián),就形成了一個理想二極管“或”電路,可用于冗余電源系統(tǒng)。按照一定比例線性跟隨 MOSFET 的壓降,可確保電源不產(chǎn)生振蕩,平滑切換,而 0.5μs 的快速接通和斷開時間,則最大限度地減小了輸出壓降和反向電流。
圖 2:具 UV/OV 的 LTC4352 理想二極管及其 I-V 曲線
理想二極管的功能是無源二極管望塵莫及的。僅當輸入處于欠壓 (UV) 和過壓 (OV) 門限設(shè)定的有效范圍之內(nèi)時,LTC4352 才能成為理想二極管。STATUS# 引腳向下游電路提供 MOSFET 接通或斷開的狀態(tài)信號,F(xiàn)AULT# 引腳指示 MOSFET 是由于 UV/OV 狀況而關(guān)斷,還是由于 MOSFET 呈電阻性或開路而導(dǎo)致過大壓降,后者在故障發(fā)生之前發(fā)出了即將出現(xiàn)故障的警報。
讓我們共享負載吧
二極管“或”是一種“贏家通吃”型系統(tǒng),在這種系統(tǒng)中,電壓最高的電源提供全部負載電流。如果兩個電源均等地向負載供電,將熱量壓力一分為二共同承擔(dān),那么電源系統(tǒng)的可靠性會大幅提高,電源的壽命也可得到延長。然而,許多調(diào)節(jié)電源的負載共享電路受到了環(huán)路振蕩的困擾。與電源變化互動的負載共享控制環(huán)路使問題變得復(fù)雜了。在這里利用理想二極管概念可以解決問題。通過調(diào)節(jié)理想二極管壓降,補償電源電壓之差,可以使兩個理想二極管的輸出電壓相等。在這兩個相等的點和共享負載之間加入檢測電阻器,可確保兩個電源流出的電流相等或成一定比例。LTC4370 二極管“或”均流控制器采用了這種針對兩個電源的均流方法 (參見圖 3)。這種方法可補償高達 600mV 的電源電壓之差,這意味著兩個 12V 電源具有 ±2.5% 的容限,或兩個 5V 電源具有 ±6% 的容限。
圖 3:LTC4370 在兩個二極管“或”連接的 12V 電源之間均衡 10A 負載電流。通過調(diào)節(jié) MOSFET 壓降來補償電源電壓失配,以實現(xiàn)均流。
不同的電源
在上述的服務(wù)器例子中,兩個電源相同時,二極管“或”和負載共享方法非常適用。但是這些方法不適合電池供電系統(tǒng),在這類系統(tǒng)中,輸入來自電池、交流適配器或 5V USB 電源,也就是說,這些電源的標稱電壓差異甚大。在有些情況下,還會涉及超級電容器備份電源。因此,需要一種更加通用的解決方案,而不是簡單地通過衡量電源電壓高低來工作。這種解決方案稱為優(yōu)先級供電處理器。該解決方案的基礎(chǔ)是,電池供電系統(tǒng)的電源有一個優(yōu)先順序。通常情況下,交流適配器排在最前面,只要存在交流適配器,系統(tǒng)就從交流適配器吸取功率。每一種電源都必須有一個確定的有效電壓范圍 (以檢測該電源的存在) 和優(yōu)先級。如果某種電源存在,就會按照它的優(yōu)先級考慮是否用它給系統(tǒng)供電。LTC4417 優(yōu)先級選擇器根據(jù) 3 個電源的有效電壓窗口和優(yōu)先級作出選擇,僅將其中之一連接到輸出 (參見圖 4)。小心切換以免將兩個電源連到一起,僅在輸出電壓低于輸入電壓時才將電源連接到輸出。這最大限度地減小或消除了流回電源的反向電流。另外,這么做還實現(xiàn)了受控的快速切換,以限制輸出電壓下降和浪涌電流。
結(jié)論
視系統(tǒng)中采用的電源種類的不同而不同,首先需要為電源多路復(fù)用選擇合適的解決方案??蛇x擇的方案是二極管“或” (有或沒有負載共享) 和優(yōu)先級供電處理器。不論選擇哪種方法,選擇正確的電源給負載供電都需要仔細設(shè)計,以避免毀掉整個系統(tǒng)。流回到電源的反向電流和輸出電壓下降要盡量減小,以避免引起電源之間來回振蕩性地切換。本文介紹的這些解決方案以簡練的方法解決了這些問題。
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