由于電子產品的風靡,能夠用多種電源供電的設備已經屢見不鮮了。例如,工業手持式儀表或便攜式醫療診斷設備大部分時間用電池供電,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,這時既為電池充電,又為系統供電。在移動系統的另一端,大型高可用性服務器機架內至少有兩個電源,以在任何一個電源出故障時,保持服務器正常運行。存儲服務器則用超級電容器做備份電源,以在主電源斷開時,干凈利落地實現無差錯停機,當然,也有些服務器采用大電流主電源和小電流輔助電源。所有這些系統都面臨著一項重要任務,即在各種不同的可用電源中,選擇一個為系統負載供電。
電源多路復用中隱藏的問題
在給定環境中選擇合適電源這一任務,聽起來簡單輕松,但是如果選擇不當,后果很嚴重,可能造成系統故障并損壞電源。如果加在電源輸出端的電壓較高,那么在并聯工作的電源之間進行切換可能導致電流回流到電源中。有些電源如果遭遇能量返回,就會出現故障,使控制環路中斷,引起電源輸入端子過壓,這有可能導致電容器及其他器件燒掉。并聯電源切換時還存在一個風險,即所有電源與輸出之間的斷接時間都可能過長,導致輸出電壓下降,系統復位或系統運行不正常。當電源之間的電壓比較接近時,會出現第三個問題。有些基于比較器的控制方法引入了一種振蕩模式,即在電源之間連續切換,這樣一來,電源之間的切換就需要周密設計了。
相同的電源
讓我們從最簡單的情況開始—由兩個相同的電源給一個系統供電。這里相同的含義是,相同的標稱電壓,其變化在電源容限范圍內通常為百分之幾。這種情況出現在高可用性服務器中,這類服務器配備兩個或更多冗余電源,以在任何電源出現故障時,能夠不間斷運行。在這類系統中,一種簡單的方法是,選擇電壓最高的電源給系統供電。兩個二極管的陽極分別連接兩個電源,陰極則連在一起,形成所謂的二極管“或”電路,這樣就實現了由電壓較高的電源供電的功能(參見圖1)。僅連入一個電源時,這個電路也正常工作。存在兩個電源時,電壓較高的那個電源,其二極管正向偏置,另一個二極管則反向偏置。
新式服務器中有多個板卡,功率輕易就能超過千瓦,因此12V直流電源須提供50A~100A的電流。運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12V電源進行二極管“或”,如果不是不可能,也要面臨可怕的熱量管理任務,因為在這么大電流時,兩個二極管的電壓下降1V,就會消耗很大的功率,例如,在50A電流時,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一樣,MOSFET再次伸出了援手。MOSFET 加上一個檢測電路,可起到理想二極管的作用,正向偏置時(輸入高于輸出),接通壓差非常低,反向偏置時(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,因此功耗降至可應對的5W。通過RDS(ON)為2m的單個或并聯N溝道MOSFET,很容易實現這樣的理想二極管“或”電路。圖2顯示了一個這樣的電路及其I-V曲線。凌力爾特的LTC4352控制一個N溝道MOSFET,以實現理想二極管功能。這樣的兩個電路并聯,就形成了一個理想二極管“或”電路,可用于冗余電源系統。按照一定比例線性跟隨MOSFET的壓降,可確保電源不產生振蕩,平滑切換,而0.5μs 的快速接通和斷開時間,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源二極管望塵莫及的。僅當輸入處于欠壓(UV)和過壓(OV)門限設定的有效范圍之內時,LTC4352才能成為理想二極管。 STATUS#引腳向下游電路提供MOSFET接通或斷開的狀態信號,FAULT#引腳指示MOSFET是由于UV/OV狀況而關斷,還是由于 MOSFET呈電阻性或開路而導致過大壓降,后者在故障發生之前發出了即將出現故障的警報。