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[讨论] 该如何选择电源?

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发表于 2014-5-18 22:15:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 qwqwqw2088 于 2014-5-18 22:17 编辑

       由于电子产品的风靡,能够用多种电源供电的设备已经屡见不鲜了。例如,工业手持式仪表或便携式医疗诊断设备大部分时间用电池供电,但一旦插入交流适配器或USB端口,就从交流适配器或USB端口吸取功率了,这时既为电池充电,又为系统供电。在移动系统的另一端,大型高可用性服务器机架内至少有两个电源,以在任何一个电源出故障时,保持服务器正常运行。存储服务器则用超级电容器做备份电源,以在主电源断开时,干净利落地实现无差错停机,当然,也有些服务器采用大电流主电源和小电流辅助电源。所有这些系统都面临着一项重要任务,即在各种不同的可用电源中,选择一个为系统负载供电。

电源多路复用中隐藏的问题

在给定环境中选择合适电源这一任务,听起来简单轻松,但是如果选择不当,后果很严重,可能造成系统故障并损坏电源。如果加在电源输出端的电压较高,那么在并联工作的电源之间进行切换可能导致电流回流到电源中。有些电源如果遭遇能量返回,就会出现故障,使控制环路中断,引起电源输入端子过压,这有可能导致电容器及其他器件烧掉。并联电源切换时还存在一个风险,即所有电源与输出之间的断接时间都可能过长,导致输出电压下降,系统复位或系统运行不正常。当电源之间的电压比较接近时,会出现第三个问题。有些基于比较器的控制方法引入了一种振荡模式,即在电源之间连续切换,这样一来,电源之间的切换就需要周密设计了。

相同的电源

      让我们从最简单的情况开始—由两个相同的电源给一个系统供电。这里相同的含义是,相同的标称电压,其变化在电源容限范围内通常为百分之几。这种情况出现在高可用性服务器中,这类服务器配备两个或更多冗余电源,以在任何电源出现故障时,能够不间断运行。在这类系统中,一种简单的方法是,选择电压最高的电源给系统供电。两个二极管的阳极分别连接两个电源,阴极则连在一起,形成所谓的二极管“或”电路,这样就实现了由电压较高的电源供电的功能(参见图1)。仅连入一个电源时,这个电路也正常工作。存在两个电源时,电压较高的那个电源,其二极管正向偏置,另一个二极管则反向偏置。

360截图20140518221234039.jpg

      新式服务器中有多个板卡,功率轻易就能超过千瓦,因此12V直流电源须提供50A~100A的电流。运用普通的老式二极管,即使是压差较低的肖特基二极管,对这样两个12V电源进行二极管“或”,如果不是不可能,也要面临可怕的热量管理任务,因为在这么大电流时,两个二极管的电压下降1V,就会消耗很大的功率,例如,在50A电流时,功耗为50W.因此需要压差低得多的理想二极管。正像解决其他许多电路问题时一样,MOSFET再次伸出了援手。MOSFET加上一个检测电路,可起到理想二极管的作用,正向偏置时(输入高于输出),接通压差非常低,反向偏置时(输入低于输出)则断开。理想二极管压差可降至普通二极管的1/10,因此功耗降至可应对的5W.通过RDS(ON)为2m的单个或并联N沟道MOSFET,很容易实现这样的理想二极管“或”电路。图2显示了一个这样的电路及其I-V曲线。凌力尔特的LTC4352控制一个N沟道MOSFET,以实现理想二极管功能。这样的两个电路并联,就形成了一个理想二极管“或”电路,可用于冗余电源系统。按照一定比例线性跟随MOSFET的压降,可确保电源不产生振荡,平滑切换,而0.5μs的快速接通和断开时间,则最大限度地减小了输出压降和反向电流。

360截图20140518221248751.jpg

     理想二极管的功能是无源二极管望尘莫及的。仅当输入处于欠压(UV)和过压(OV)门限设定的有效范围之内时,LTC4352才能成为理想二极管。STATUS#引脚向下游电路提供MOSFET接通或断开的状态信号,FAULT#引脚指示MOSFET是由于UV/OV状况而关断,还是由于MOSFET呈电阻性或开路而导致过大压降,后者在故障发生之前发出了即将出现故障的警报。




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 楼主| 发表于 2014-5-18 22:16:58 | 显示全部楼层
让我们共享负载吧

      二极管“或”是一种“赢家通吃”型系统,在这种系统中,电压最高的电源提供全部负载电流。如果两个电源均等地向负载供电,将热量压力一分为二共同承担,那么电源系统的可靠性会大幅提高,电源的寿命也可得到延长。然而,许多调节电源的负载共享电路受到了环路振荡的困扰。与电源变化互动的负载共享控制环路使问题变得复杂了。在这里利用理想二极管概念可以解决问题。通过调节理想二极管压降,补偿电源电压之差,可以使两个理想二极管的输出电压相等。在这两个相等的点和共享负载之间加入检测电阻器,可确保两个电源流出的电流相等或成一定比例。LTC4370二极管“或”均流控制器采用了这种针对两个电源的均流方法(参见图3)。这种方法可补偿高达600mV的电源电压之差,这意味着两个12V电源具有±2.5%的容限,或两个5V电源具有±6%的容限。

360截图20140518221547629.jpg
图3:LTC4370在两个二极管“或”连接的12V电源之间均衡10A负载电流。通过调节MOSFET压降来补偿电源电压失配,以实现均流。

不同的电源

       在上述的服务器例子中,两个电源相同时,二极管“或”和负载共享方法非常适用。但是这些方法不适合电池供电系统,在这类系统中,输入来自电池、交流适配器或5V USB电源,也就是说,这些电源的标称电压差异甚大。在有些情况下,还会涉及超级电容器备份电源。因此,需要一种更加通用的解决方案,而不是简单地通过衡量电源电压高低来工作。这种解决方案称为优先级供电处理器。该解决方案的基础是,电池供电系统的电源有一个优先顺序。通常情况下,交流适配器排在最前面,只要存在交流适配器,系统就从交流适配器吸取功率。每一种电源都必须有一个确定的有效电压范围(以检测该电源的存在)和优先级。如果某种电源存在,就会按照它的优先级考虑是否用它给系统供电。LTC4417优先级选择器根据3个电源的有效电压窗口和优先级作出选择,仅将其中之一连接到输出(参见图4)。小心切换以免将两个电源连到一起,仅在输出电压低于输入电压时才将电源连接到输出。这最大限度地减小或消除了流回电源的反向电流。另外,这么做还实现了受控的快速切换,以限制输出电压下降和浪涌电流。

360截图20140518221554677.jpg
图4:LTC4417 3电源优先级供电处理器。

结论

       视系统中采用的电源种类的不同而不同,首先需要为电源多路复用选择合适的解决方案。可选择的方案是二极管“或”(有或没有负载共享)和优先级供电处理器。不论选择哪种方法,选择正确的电源给负载供电都需要仔细设计,以避免毁掉整个系统。流回到电源的反向电流和输出电压下降要尽量减小,以避免引起电源之间来回振荡性地切换。本文介绍的这些解决方案以简练的方法解决了这些问题。







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一粒金砂(中级)

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发表于 2014-5-19 10:39:38 | 显示全部楼层
学习了,凌特的电源管理还是不错的

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