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(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,以在主電源斷開時(shí),干凈利落地實(shí)現(xiàn)無差錯(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。
工程師選擇電源之道
發(fā)布時(shí)間:2014-05-05 責(zé)任編輯:xiongjianhua
【導(dǎo)讀】 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,而電源在應(yīng)用中隱藏了一些問題,這些是無法改變的,但在選擇的時(shí)候可以多多的比較他們的特性,再選出最適合的電源。下面看看工程師是怎樣選擇電源的吧。
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(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,以在主電源斷開時(shí),干凈利落地實(shí)現(xiàn)無差錯(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)用中隱藏的問題
在給定環(huán)境中選擇合適電源這一任務(wù),聽起來簡(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(jì)了。
相同的電源
讓我們從最簡(jiǎn)單的情況開始—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。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源二極管望塵莫及的。僅當(dāng)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(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(bào)。
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(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。通過調(diào)節(jié)MOSFET壓降來補(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,輸入來自電池、交流適配器或5V USB電源,也就是說,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)單地通過衡量電源電壓高低來工作。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:LTC4417 3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??蛇x擇的方案是二極管“或”(有或沒有負(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題。
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