冗余熱備份電源的設(shè)計(jì)研究

在設(shè)計(jì)某高可靠性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，要求其配套電源采取冗余設(shè)計(jì)。一般來說，可以采取的方案有容量冗余、冗余冷備份方式、并聯(lián)均流的N＋1備份方式、冗余熱備份方式。

容量冗余是指電源的最大負(fù)載能力大于實(shí)際負(fù)載，也就是“大馬拉小車”，其缺點(diǎn)是不利于提高電源的效率，而且對(duì)提高電源的可靠性意義不大。

冗余冷備份方式是指電源由兩個(gè)或多個(gè)功能相同的單元模塊組成，電源啟動(dòng)后由其中一個(gè)單元模塊向設(shè)備供電，當(dāng)工作單元發(fā)生故障時(shí)，備份單元立刻啟動(dòng)向設(shè)備供電。這種方式的缺點(diǎn)是備份單元的啟動(dòng)到輸出電壓的建立需要一定的時(shí)間，容易造成輸出電壓出現(xiàn)較大的豁口，這樣會(huì)對(duì)被供電的設(shè)備產(chǎn)生影響。

并聯(lián)均流的N＋1備份方式是指電源由多個(gè)功能相同的單元組成，所有單元的輸出功率之和大于系統(tǒng)要求的功率，各單元的輸出通過或門二極管并聯(lián)在一起，有時(shí)輸出采取均流控制電路，目前采用較多的就是這種方式。N＋1備份方式由于是多個(gè)單元同時(shí)向設(shè)備供電，單個(gè)單元故障（失效）一般不會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，但是，如果輸出線發(fā)生故障容易波及到所有單元。

冗余熱備份方式是指電源由多個(gè)功能相同的單元組成，電源啟動(dòng)時(shí)所有單元同時(shí)工作，由其中預(yù)先設(shè)定的單元向設(shè)備供電，備份單元處于空載狀態(tài)，當(dāng)向設(shè)備供電的單元出現(xiàn)故障時(shí)，備份單元立刻向設(shè)備供電，維持了輸出電壓的穩(wěn)定。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是工作單元故障后，備份單元輸出響應(yīng)速度快，可以保證輸出電壓只在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

本文詳細(xì)論述了采取冗余熱備份方式的電源設(shè)計(jì)方案。

1 工作原理

冗余熱備份結(jié)構(gòu)的主電路由兩個(gè)功能相同且同時(shí)處于工作狀態(tài)的單元組成，由切換電路控制其中一路向設(shè)備供電，另一路空載。當(dāng)向設(shè)備供電的單元發(fā)生故障時(shí)，切換電路立即動(dòng)作，使另一個(gè)單元向設(shè)備供電，同時(shí)切斷故障單元的輸出。

主電路拓?fù)洳捎谜ぷ儞Q器，由輸入濾波電路、功率變換電路、控制電路、輸出濾波電路、監(jiān)測切換電路組成。電源框圖如圖1所示。DC 28V輸入經(jīng)過濾波后提供給功率變換電路，控制電路通過實(shí)時(shí)檢測來控制功率變換電路，以實(shí)現(xiàn)輸出隔離穩(wěn)定的5V電壓，同時(shí)對(duì)輸出電壓進(jìn)行過壓、過流保護(hù)。

圖1 電源框圖

冗余熱備份功能由輸出監(jiān)測和切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。正常狀態(tài)下兩個(gè)單元之一向設(shè)備供電，發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)處于熱備份的單元立刻向設(shè)備供電，同時(shí)切斷故障單元的輸出。若兩個(gè)單元的輸出監(jiān)測電路同時(shí)發(fā)生故障，則兩個(gè)單元同時(shí)向設(shè)備供電，由于每個(gè)單元的輸出端均連接了或門二極管，這時(shí)為電源輸出并聯(lián)方式下的備份。2 監(jiān)測與切換功能的電路實(shí)現(xiàn)

作為一種冗余熱備份電源，主要問題是工作單元的故障判斷。如果采取對(duì)電源的各個(gè)可能故障點(diǎn)設(shè)置傳感器，通過智能芯片或分立芯片組進(jìn)行故障判斷，再采取相應(yīng)的切換控制，那么整個(gè)電源的復(fù)雜程度會(huì)增加，而且故障檢測判斷部分的可靠性不一定高于電源本身。由于電源的主要故障均會(huì)反映在輸出電壓上，因此，以監(jiān)測工作單元的輸出電壓是否在設(shè)定范圍之內(nèi)作為故障判斷的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測、切換功能的電路如圖2所示。

圖2 輸出監(jiān)測、切換電路原理圖

圖2中R18、R19、V10、D1組成單元1的5V輸出切換開關(guān)，D1導(dǎo)通，單元1的5V輸出被切斷；R018、R019、V010、D01組成單元2的5V輸出切換開關(guān)，其功能與單元1相同。R34、R35、R33、AJ4（TL431）、R20＊、R22、C20、R21＊、AJ2（TL431）、D2、R24、R23、C21、V13、R30實(shí)現(xiàn)單元1的輸出電壓監(jiān)測和控制單元2輸出切換開關(guān)的功能：當(dāng)單元1的輸出電壓高于或低于設(shè)定的電壓范圍時(shí)（調(diào)節(jié)R34、R35、R20＊、R21＊的電阻值可以改變設(shè)定的電壓范圍），光耦D2的腳1、2不流過電流，使D2的腳4、5截止，V13基極電壓變低，D01的腳1、2不流過電流，使單元2的切換開關(guān)打開，單元2向設(shè)備輸出電壓。同時(shí)，當(dāng)單元2的輸出電壓在設(shè)定的電壓范圍時(shí)（調(diào)節(jié)R034、R035、R020＊、R021＊的電阻值可以改變設(shè)定的電壓范圍），光耦D02的腳1、2流過電流，使D02的腳4、5導(dǎo)通，V013基極電壓變高，D01的腳1、2流過電流，使單元1的切換開關(guān)關(guān)斷，單元1不向設(shè)備輸出電壓。同樣，單元2中對(duì)稱位置的元器件實(shí)現(xiàn)與單元1中相同的輸出電壓監(jiān)測和控制單元1輸出切換開關(guān)的功能。通過設(shè)定C21和C021的電容值來設(shè)定電源啟動(dòng)時(shí)哪個(gè)單元先向設(shè)備供電，電源啟動(dòng)過程中D2、D02的腳4、5均會(huì)有極其短暫的導(dǎo)通，C21、C021的電容值小的單元先切斷另一個(gè)單元向設(shè)備供電的通路。通過圖2可以看出本電源的2個(gè)單元中，若單元1先輸出正確的電壓，則單元2的輸出被關(guān)斷；單元1輸出電壓不正確，單元2的輸出切換開關(guān)打開向設(shè)備供電，同時(shí)切斷單元1的輸出電壓。反之亦然。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用示波器觀測兩個(gè)單元的輸出端，可以觀測到單元1向設(shè)備輸出電壓，單