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(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。存儲服務(wù)器則用超級電容器作備份電源，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，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 DC 電源須提供 50A 到 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)對的 5W。通過 RDS(ON) 為 2mΩ 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，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)。

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。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(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 (以檢測該電源的存在) 和優(yōu)先級。如果某種電源存在，就會(huì)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(gè)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(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。