資深工程師分享：如何選擇合適的電源？

　　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(jiàn)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(shí)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(shí)既為電池充電，又為系統(tǒng)供電。在移動(dòng)系統(tǒng)的另一端，大型高可用性服務(wù)器機(jī)架內(nèi)至少有兩個(gè)電源，以在任何一個(gè)電源出故障時(shí)，保持服務(wù)器正常運(yùn)行。存儲(chǔ)服務(wù)器則用超級(jí)電容器做備份電源，以在主電源斷開(kāi)時(shí)，干凈利落地實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)停機(jī)，當(dāng)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(xiàng)重要任務(wù)，即在各種不同的可用電源中，選擇一個(gè)為系統(tǒng)負(fù)載供電。

　　電源多路復(fù)用中隱藏的問(wèn)題

　　在給定環(huán)境中選擇合適電源這一任務(wù)，聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單輕松，但是如果選擇不當(dāng)，后果很嚴(yán)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(jìn)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(huì)出現(xiàn)故障，使控制環(huán)路中斷，引起電源輸入端子過(guò)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(shí)還存在一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，即所有電源與輸出之間的斷接時(shí)間都可能過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致輸出電壓下降，系統(tǒng)復(fù)位或系統(tǒng)運(yùn)行不正常。當(dāng)電源之間的電壓比較接近時(shí)，會(huì)出現(xiàn)第三個(gè)問(wèn)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(lái)，電源之間的切換就需要周密設(shè)計(jì)了。

　　相同的電源

　　讓我們從最簡(jiǎn)單的情況開(kāi)始—由兩個(gè)相同的電源給一個(gè)系統(tǒng)供電。這里相同的含義是，相同的標(biāo)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(gè)或更多冗余電源，以在任何電源出現(xiàn)故障時(shí)，能夠不間斷運(yùn)行。在這類系統(tǒng)中，一種簡(jiǎn)單的方法是，選擇電壓最高的電源給系統(tǒng)供電。兩個(gè)二極管的陽(yáng)極分別連接兩個(gè)電源，陰極則連在一起，形成所謂的二極管“或”電路，這樣就實(shí)現(xiàn)了由電壓較高的電源供電的功能（參見(jiàn)圖1）。僅連入一個(gè)電源時(shí)，這個(gè)電路也正常工作。存在兩個(gè)電源時(shí)，電壓較高的那個(gè)電源，其二極管正向偏置，另一個(gè)二極管則反向偏置。

　　圖1：兩個(gè)電源的二極管“或”電路向負(fù)載供電。

　　新式服務(wù)器中有多個(gè)板卡，功率輕易就能超過(guò)千瓦，因此12V直流電源須提供50A～100A的電流。運(yùn)用普通的老式二極管，即使是壓差較低的肖特基二極管，對(duì)這樣兩個(gè)12V電源進(jìn)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?yàn)樵谶@么大電流時(shí)，兩個(gè)二極管的電壓下降1V，就會(huì)消耗很大的功率，例如，在50A電流時(shí)，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(wèn)題時(shí)一樣，MOSFET再次伸出了援手。MOSFET加上一個(gè)檢測(cè)電路，可起到理想二極管的作用，正向偏置時(shí)（輸入高于輸出），接通壓差非常低，反向偏置時(shí)（輸入低于輸出）則斷開(kāi)。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(duì)的5W。通過(guò)RDS（ON）為2m的單個(gè)或并聯(lián)N溝道MOSFET，很容易實(shí)現(xiàn)這樣的理想二極管“或”電路。圖2顯示了一個(gè)這樣的電路及其I-V曲線。凌力爾特的LTC4352控制一個(gè)N溝道MOSFET，以實(shí)現(xiàn)理想二極管功能。這樣的兩個(gè)電路并聯(lián)，就形成了一個(gè)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(kāi)時(shí)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(wú)源二極管望塵莫及的。僅當(dāng)輸入處于欠壓（UV）和過(guò)壓（OV）門限設(shè)定的有效范圍之內(nèi)時(shí)，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(kāi)的狀態(tài)信號(hào)，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(kāi)路而導(dǎo)致過(guò)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(bào)。

　　讓我們共享負(fù)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(fù)載電流。如果兩個(gè)電源均等地向負(fù)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(huì)大幅提高，電源的壽命也可得到延長(zhǎng)。然而，許多調(diào)節(jié)電源的負(fù)載共享電路受到了環(huán)路振蕩的困擾。與電源變化互動(dòng)的負(fù)載共享控制環(huán)路使問(wèn)題變得復(fù)雜了。在這里利用理想二極管概念可以解決問(wèn)題。通過(guò)調(diào)節(jié)理想二極管壓降，補(bǔ)償電源電壓之差，可以使兩個(gè)理想二極管的輸出電壓相等。在這兩個(gè)相等的點(diǎn)和共享負(fù)載之間加入檢測(cè)電阻器，可確保兩個(gè)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(duì)兩個(gè)電源的均流方法（參見(jiàn)圖3）。這種方法可補(bǔ)償高達(dá)600mV的電源電壓之差，這意味著兩個(gè)12V電源具有±2.5%的容限，或兩個(gè)5V電源具有±6%的容限。

　　圖3：LTC4370在兩個(gè)二極管“或”連接的12V電源之間均衡10A負(fù)載電流。通過(guò)調(diào)節(jié)MOSFET壓降來(lái)補(bǔ)償電源電壓失配，以實(shí)現(xiàn)均流。

　　不同的電源

　　在上述的服務(wù)器例子中，兩個(gè)電源相同時(shí)，二極管“或”和負(fù)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(lái)自電池、交流適配器或5VUSB電源，也就是說(shuō)，這些電源的標(biāo)稱電壓差異甚大。在有些情況下，還會(huì)涉及超級(jí)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(jiǎn)單地通過(guò)衡量電源電壓高低來(lái)工作。這種解決方案稱為優(yōu)先級(jí)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(gè)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(gè)確定的有效電壓范圍（以檢測(cè)該電源的存在）和優(yōu)先級(jí)。如果某種電源存在，就會(huì)按照它的優(yōu)先級(jí)考慮是否用它給系統(tǒng)供電。LTC4417優(yōu)先級(jí)選擇器根據(jù)3個(gè)電源的有效電壓窗口和優(yōu)先級(jí)作出選擇，僅將其中之一連接到輸出（參見(jiàn)圖4）。小心切換以免將兩個(gè)電源連到一起，僅在輸出電壓低于輸入電壓時(shí)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(shí)現(xiàn)了受控的快速切換，以限制輸出電壓下降和浪涌電流。

　　圖4：LTC44173電源優(yōu)先級(jí)供電處理器。

　　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。可選擇的方案是二極管“或”（有或沒(méi)有負(fù)載共享）和優(yōu)先級(jí)供電處理器。不論選擇哪種方法，選擇正確的電源給負(fù)載供電都需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，以避免毀掉整個(gè)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(lái)回振蕩性地切換。本文介紹的這些解決方案以簡(jiǎn)練的方法解決了這些問(wèn)題。