新聞中心

EEPW首頁(yè) > 模擬技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 控制器使電源冗余更為方便

控制器使電源冗余更為方便

——
作者:Jim Bird 時(shí)間:2005-11-10 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  連接冗余的傳統(tǒng)方法通常要將二極管與每個(gè)輸出串聯(lián),并根據(jù)的正負(fù)在負(fù)載上連接陽(yáng)極或陰極。

  這通常稱(chēng)作二極管 OR-ing,盡管相當(dāng)簡(jiǎn)單,卻遠(yuǎn)不是理想的解決方案。其缺點(diǎn)包括功率損耗大、不可控的浪涌電流以及無(wú)過(guò)電流保護(hù) (overcurrent control) 等。上述某些弱點(diǎn)可通過(guò)添加熱交換控制器得到有效解決,但我們可以通過(guò)采用 TPS2350 而非采用 OR-ing 二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的解決方案。

  另外一種方法是采用具備諸如欠壓 (UV) 和過(guò)壓 (OV) 限制、限流、電流轉(zhuǎn)換速率、斷路和故障定時(shí)器等可編程特性的電源,這些造成的功率損耗都比 OR-ing 二極管的典型功率損耗小得多。本文將介紹 TPS2350 如何將上述功能與智能選擇器相集成,用最大電壓級(jí)將電流從電源引出。總解決方案使用的外部組件不到十個(gè),從而實(shí)現(xiàn)了占用面積及成本的最小化。

  冗余電源--二極管 OR-ing 方法

  圖1 顯示了冗余-48V 電信電源系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)施方案。電源可能是電池、整流或補(bǔ)償線(xiàn)路電壓 (bucked line voltage) 或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出。

  設(shè)計(jì)的主要功能可確保負(fù)載具有至少一個(gè)備份電源,而且各電源不會(huì)成為其他電源的負(fù)載。該設(shè)計(jì)可執(zhí)行上述兩種功能,但不會(huì)就"過(guò)大"電壓與電流提供保護(hù)。二極管可方便的提供消除下行電子設(shè)備所需的電壓和/或電流。

  二極管OR-ing 方案中的二極管損失計(jì)算方法為:負(fù)載電流乘以一個(gè)二極管電壓降。設(shè)計(jì)人員除了采用低正向壓降的肖特基二極管之外,基本沒(méi)有別的什么方法來(lái)降低損失。

  二極管 OR-ing 解決方案中的 Ploss

  Ploss= ILOAD x VF diode

  如果用 FETS 和控制器替代二極管,那么損失就是負(fù)載電流的平方乘以 FET 電阻 (RDSON)。FET OR-ing 解決方案中的Ploss

  Ploss= I 2 LOAD x RDSON

  現(xiàn)在我們來(lái)比較采用肖特基二極管的10 安培電源且 VF = 350 mV 情況下的損失,以及采用FET 的 RDSON = 8 mΩ 情況下 FET OR-ing 解決方案的損失。二極管OR-ing 解決方案中的 Ploss Ploss= ILOAD x VF diode = 10 x .35 = 3.5 W FET OR-ing 解決方案中的Ploss Ploss = I x RDSON = 102 x .008 = 0.8 W

  功率損耗的下降是顯著的。FET 解決方案造成的損失不足二極管解決方案的四分之一,且不會(huì)降低性能。

  冗余電源--低損失,無(wú)二極管方法

  TPS2350 的工作電壓范圍介于-12 至-80 V 之間,除了要選擇適當(dāng)電源外,不管選擇哪個(gè)通道都可提供完整的熱交換保護(hù)。

  正常工作期間,TPS2350 將使三個(gè)外部 FETS 中的兩個(gè)保持在完全增強(qiáng)狀態(tài)下,以便向負(fù)載供電,此處的情況則是 Q1 和 Q2,或 Q1 和 Q3,這要取決于所選定的電源是 VINA 還是VINB(見(jiàn)圖 2)。不管選擇什么電源,Q1 在通電或過(guò)載情況下都能提供電流斜坡和斷路功能。

  Q2 和 Q3 僅用于選擇電源,決不會(huì)同時(shí)打開(kāi)。它們可執(zhí)行在二極管 OR-ing 方案中二極管的功能。圖 2 顯示了典型的 TPS2350 配置,其帶有必需的 Rs 與 Cs,可對(duì)所有保護(hù)功能進(jìn)行編程。

  TPS2350 電源選擇電路的PLoss TPS2350 所控制冗余電源中的損耗是負(fù)載電流、RSENSE 以及外部 FET 的 RDSON 的函數(shù)。以下顯示了 TPS2350 控制的 10Amp 電源的損耗,其中控制 FET 為 8 mΩ,Rsense 等于 10 mΩ。 Ploss= I2LOAD x ( RDSONQ1 + RDSONQ2+ RSENSE) = 102 x .026 Ω = 2.6 W

如果該系統(tǒng)電源選擇用的不是 FET,而是采用肖特基 OR-ing 二極管,且VF =350 mV,則功率損耗的計(jì)算如下: Ploss= ( ILOAD x VF diode ) + (I2 x (RSENSE + RDSON)) = 3.5 + 1.8 = 5.2

  LOAD

  W 上例二極管 OR 解決方案損失了5.2 瓦特,是 TPS2350 解決方案損失的 2 倍。確定負(fù)載FET 的適當(dāng)大小對(duì)控制 I2R 損失至關(guān)重要。如果 FET 大小不足,則在高電流情況下其造成的損失比二極管還高。幸運(yùn)的是,低 RDSON FET 的選擇不斷做得越來(lái)越好,設(shè)計(jì)人員可以靈活選擇最適合需要的任何 FET。如果設(shè)計(jì)要求更低的 RDSON,則可以并聯(lián)第二個(gè)、第三個(gè)乃至第四個(gè) FET。表 1 列出了目前可用的 FET 小樣品。

  選擇 Q1 并不像選擇 Q2 和 Q3 那么簡(jiǎn)單,因?yàn)镼1 在飽和區(qū)域中,打開(kāi)情況下具有高電壓和高電流。因此,Q1 將具備極高的功耗電涌,并應(yīng)達(dá)到此標(biāo)稱(chēng)額度。

  "電源選擇"或"2350 如何知道選擇哪個(gè)電源"?

  電源選擇比較器根據(jù)引腳 VINA 和 VINB 上感應(yīng)得出的哪個(gè)電源負(fù)值更大,就將驅(qū)動(dòng)GATA 或 GATB(見(jiàn)圖 3)。400 mV 的磁滯內(nèi)置于電源選擇比較器中。400mV 已經(jīng)足夠小,可以避免 FET 關(guān)閉時(shí)主體二極管的正向偏移,但同是在大多數(shù)情況下又足夠大,能夠避免電源線(xiàn)路中 IR 下降造成"剛打開(kāi)的"電源電壓下降情況下出現(xiàn)電源"開(kāi)關(guān)"。如果系統(tǒng)提出要求,還可以添加組件,將磁滯設(shè)為更高的電平。

  欠壓鎖定( UVLO )和過(guò)壓鎖定 (OVLO) 在標(biāo)準(zhǔn)的三電阻梯形網(wǎng)絡(luò)中采用 R1、R2 和 R3 對(duì) UVLO 與 OVLO 進(jìn)行設(shè)置。該電路定義了輸入電壓窗口,其給出輸出。為了從電池系統(tǒng)提取盡可能多的電力,UV 比較器的準(zhǔn)確度從 0 至 70 度被設(shè)置為很?chē)?yán)格的 0.93%。這樣的精度不僅可在備用電池上實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的操作,而且還可減小電源設(shè)計(jì)中對(duì)昂貴的高精度電阻器的需求。

  控制電流打開(kāi)與電流限制TPS2350 相對(duì)于現(xiàn)有解決方案的一大優(yōu)勢(shì)就是控制電流打開(kāi),不管負(fù)載特點(diǎn)如何,都能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的負(fù)載電壓斜坡。這使得我們可使用較廉價(jià)的FET,而且可在電流過(guò)大風(fēng)險(xiǎn)極小的情況下驅(qū)動(dòng)幾乎任何負(fù)載。

  在FET打開(kāi)時(shí),設(shè)置電流斜坡可控制最大di/dt。使用CRAMP設(shè)置di/dt為最大值有助于避免破壞性或?yàn)?zāi)難性EMI在系統(tǒng)中傳播,這比一般的限制dV/dT的方法要有效得多。上述常見(jiàn)的問(wèn)題是由下行較大電容造成的,在模塊最初插入時(shí)好像出現(xiàn)了短路。為了設(shè)置打開(kāi)電流轉(zhuǎn)換速率,我們可在斜坡和電源間連接外部電容器。在打開(kāi)期間,TPS2350 給電容器充電,建立到 LCA 的參考輸入,其電壓為斜坡到電源電壓的 1%。LCA 的閉路控制和通路 FET 保持從感應(yīng)到電源的電流感應(yīng)電壓在基準(zhǔn)電壓上,因此負(fù)載電流轉(zhuǎn)換速率直接由斜坡引腳處的電壓斜率設(shè)置。完全充電時(shí),斜坡電壓可超過(guò)電源 6V,但參考內(nèi)部鉗制為40mV,這就將負(fù)載電流限制在40mV/RSENSE。當(dāng)輸出通過(guò)OV、UV或因負(fù)載故障禁用時(shí),斜坡電容器放電,并保持較低水平,以為下一次打開(kāi)進(jìn)行初始化。

  我們可以通過(guò)設(shè)置RSENSE 控制到負(fù)載的最大電流,這是另一重要特性,可避免有害的電涌傳播,并有助于使用較小的FET。它也作為斷路器發(fā)揮作用,如果負(fù)載電流超過(guò) RSENSE 設(shè)置的閾值,則其將關(guān)閉電源負(fù)載。

  故障定時(shí)和輸出

  FLT# 輸出是一種開(kāi)漏低電平有效指示,2350 由于發(fā)生故障已將其關(guān)閉。如果負(fù)載電流在超過(guò) FLTTIM 電容器設(shè)置的故障時(shí)間內(nèi)保持受限,或負(fù)載電流在電流感應(yīng)電阻器上生成電壓高于100mV 且超過(guò)3μs,則會(huì)出現(xiàn)故障。如果故障鎖存器啟動(dòng),則定時(shí)器過(guò)時(shí),GAT 與 FLT# 拉低。兩個(gè)電源都降低至 UV 比較器閾值以下時(shí),或一個(gè)電源超過(guò) OV 比較器閾值時(shí),則FLT# 會(huì)清零。FLT# 輸出拉低至 "VINA 和 "VINB 二者較低位置。故障時(shí)間采用 FLTIM 和SOURCE 之間的外部電容器進(jìn)行設(shè)置。電容器越大,確定故障條件為故障的時(shí)間也就越長(zhǎng)。這種超時(shí)保護(hù)有助于避免不確定的電流來(lái)源進(jìn)入故障負(fù)載,同時(shí)還提供了過(guò)濾器,避免瞬時(shí)電流過(guò)大或浪涌電流造成的小問(wèn)題。

  匯總

  TPS2350 為冗余電源系統(tǒng)中的電源選擇提供了 TSSOP 與 SOIC 解決方案,同時(shí)提供了完整系列的可編程熱交換功能。TPS2350 靈活性強(qiáng),使用簡(jiǎn)單,不存在與傳統(tǒng)二極管 OR-ing 解決方案相關(guān)聯(lián)的弱點(diǎn)。

  隨著電信信號(hào)處理電壓不斷下降,電流則不斷上升。有源的智能熱交換與斷路功能正成為冗余系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠性及安全性所需的、日益重要的要求。



關(guān)鍵詞: 電源冗余 模擬IC 電源

評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專(zhuān)區(qū)

關(guān)閉