解讀：工程師是怎樣選擇電源的？

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(jiàn)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(kāi)時(shí)，干凈利落地實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wèn)題

在給定環(huán)境中選擇合適電源這一任務(wù)，聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單輕松，但是如果選擇不當(dāng)，后果很?chē)?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(guò)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(guò)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(wèn)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(lái)，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(kāi)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(chēng)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(lèi)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(lèi)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(yáng)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(jiàn)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。

新式服務(wù)器中有多個(gè)板卡，功率輕易就能超過(guò)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(wèn)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(kāi)。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(guò)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(kāi)時(shí)間，則最大限度地減小了輸出壓降和反向電流。

理想二極管的功能是無(wú)源二極管望塵莫及的。僅當(dāng)輸入處于欠壓(UV)和過(guò)壓(OV)門(mén)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(kāi)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(kāi)路而導(dǎo)致過(guò)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)。