控制器使電源冗余更為方便

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

　　這通常稱作二極管 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?？偨鉀Q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。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，能夠避免電源線路中 IR 下降造成"剛打開的"電源電壓下降情況下出現(xiàn)電源"開關(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)置為很嚴(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，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。