幾種實(shí)用的低電壓冗余電源方案設(shè)計(jì)

引 言
對(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷操作、高可靠的系統(tǒng)，如基站通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器等，往往需要高可靠的電源供應(yīng)。冗余電源設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵部分，在高可用系統(tǒng)中起著重要作用。冗余電源一般配置2個(gè)以上電源。當(dāng)1個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，其他電源可以立刻投入，不中斷設(shè)備的正常運(yùn)行。這類似于UPS電源的工作原理：當(dāng)市電斷電時(shí)由電池頂替供電。冗余電源的區(qū)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(yīng)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(shè)計(jì)。

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(lián)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(fù)載能力大于實(shí)際負(fù)載，這對(duì)提高可靠性意義不大。
冗余冷備份是指電源由多個(gè)功能相同的模塊組成，正常時(shí)由其中一個(gè)供電，當(dāng)其故障時(shí)，備份模塊立刻啟動(dòng)投入工作。這種方式的缺點(diǎn)是電源切換存在時(shí)間間隔，容易造成電壓豁口。
并聯(lián)均流的N+1備份方式是指電源由多個(gè)相同單元組成，各單元通過(guò)或門二極管并聯(lián)在一起，由各單元同時(shí)向設(shè)備供電。這種方案在1個(gè)電源故障時(shí)不會(huì)影響負(fù)載供電，但負(fù)載端短路時(shí)容易波及所有單元。冗余熱備份是指電源由多個(gè)單元組成，并且同時(shí)工作，但只由其中一個(gè)向設(shè)備供電，其他空載。主電源故障時(shí)備份電源可以立即投入，輸出電壓波動(dòng)很小。本文主要介紹后兩種方案的設(shè)計(jì)。

2 傳統(tǒng)冗余電源方案
傳統(tǒng)的冗余電源設(shè)計(jì)方案是由2個(gè)或多個(gè)電源通過(guò)分別連接二極管陽(yáng)極，以“或門”的方式并聯(lián)輸出至電源總線上。如圖1所示。可以讓1個(gè)電源單獨(dú)工作，也可以讓多個(gè)電源同時(shí)工作。當(dāng)其中1個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，不?huì)影響電源總線的輸出。

在實(shí)際的冗余電源系統(tǒng)中，一般電流都比較大，可達(dá)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(tǒng)方案與替代方案的比較
使用二極管的傳統(tǒng)方案電路簡(jiǎn)單，但有其固有的缺點(diǎn)：功耗大、發(fā)熱嚴(yán)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(shí)間處于前向?qū)Ｊ剑膲航邓鸬墓牟蝗莺鲆?。最小壓降的肖特基二極管也有0．45 V，在大電流時(shí)，例如12 A，就有5 W的功耗，因此要特別處理散熱問(wèn)題。
現(xiàn)在新的冗余電源方案是采用大功率的MOSFET管來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的二極管。MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻可以到幾mΩ，大大降低了壓降損耗。在大功率應(yīng)用中，不僅實(shí)現(xiàn)了效率更高的解決方案，而且由于無(wú)需散熱器，所以節(jié)省了大量的電路板面積，也減少了設(shè)備的散熱源。應(yīng)用電路中MOSFET需要有專業(yè)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(yīng)用
MOSFET在新的冗余電源方案中是關(guān)鍵器件。由于與常規(guī)電路中的應(yīng)用不同，很多人對(duì)MOSFET的認(rèn)識(shí)都存在一定誤區(qū)。為了方便后續(xù)電路的介紹，下面對(duì)其特殊之處作以說(shuō)明。
首先，MOSFET符號(hào)中的箭頭并不代表實(shí)際電流流動(dòng)方向。在三極管應(yīng)用中，電流方向與元件符號(hào)的箭頭方向相同，因此很多人以為MOSFET也是如此。其實(shí)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(wú)關(guān)，如圖2所示。

其次，應(yīng)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(yáng)極，P溝道MOS-FET中漏極D接二極管的陽(yáng)極。因此，在大多數(shù)把MOSFET當(dāng)作開(kāi)關(guān)使用的電路中，對(duì)于N溝道MOSFET，電流是從漏極流向源極，柵極G接高電壓導(dǎo)通；對(duì)于P溝道MOSFET，電流是從源極流向漏極，柵極G接低電壓導(dǎo)通，否則由于二極管的存在，柵極的控制就不能關(guān)斷電流通路。