低电压冗余电源方案设计

低电压冗余电源方案设计

Design of low voltage Redundant power scheme

郑州威科姆电子科技有限公司 张晓健 河南海华工程建设监理公司 李志新

Zhengzhou VCOM electron technology CO.,LTD Zhang Xizojian Henan Haihua Engineering construction Overseeing CO.,LTD Li ZhiXin

摘要：本文通过对电源冗余的系统介绍、分析，指出传统方案和替代方案的优缺点，着重说明了在新的低电压冗余电源方案设计中MOSFET不同于常规的应用原理，并且根据不同的需求给出了几种以LTC4416、PI2121、LTC4352、LTC4350、TPC2412为代表的典型应用电路方案，并说明了其中重点电路的原理。

Abstract: This article through to the power redundancy's comprehensive introduction and analysis，Points out the traditional program and the alternative program's Advantages and disadvantages，Special description MOSFET's principle of application different from the conventional in the new low voltage power redundant project design，And according to the different needs, introduction several typical application circuit program based on the chip of LTC4416, PI2121, LTC4352, LTC4350, TPC2412，description the principle of key circuit.

关键词：冗余电源 热备份 MOSFET

Key word : Redundant power source, Hot backup, MOSFET

引言：

对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通信设备、监控设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应，因此冗余电源设计是其中的关键部分，在高可用系统中起着重要作用。冗余电源一般是配置两个以上的电源，当一个电源出现故障时，其它电源可以立刻投入，并且不能中断设备的正常运行，这类似于UPS电源的工作原理，当市电断电时由电池顶替供电，而冗余电源的区别主要是由不同的电源供电。

电源冗余有交流220V及各种直流电压的应用，本文主要介绍低压直流（如DC5V、DC12V等）的冗余电源方案设计。 1 冗余电源的介绍

电源冗余一般可以采取的方案由容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N＋1备份、冗余热备份方式。

容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，这对提高可靠性意义不大；冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成，正常时由其中一个供电，当其故障时，备份模块立刻启动投入工作，这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔，容易造成电压豁口；并联均流的N＋1备份方式是指电源由多个相同单元组成，各单元通过或门二极管并联在一起，由各单元同时向设备供电，这种方案在一个电源故障时不会影响负载供电，但负载端短路时容易波及到所有单元；冗余热备份是指电源由多个单元组成，并且同时工作，但只由其中一个向设备供电，其它空载，主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小。

本文主要介绍后两种方案的设计。 2 传统冗余电源的方案

传统的冗余电源设计方案是由两个或多个电源通过分别连接二极管阳极以“或门”的方式并联输出至电源总线上，如图1所示，可以让一个电源单独工作，也可以让多个电源同时

工作，当其中一个电源出现故障时由于二极管的单向导通特性不会影响电源总线的输出。

电源输入1电源输入2电源输入n电源输出总线

图1 传统冗余电源方案示意图

在实际的冗余电源系统中，一般电流都比较大，可达几安～几十安培，考虑到二极管本身的功耗，一般选用压降较低、电流较大的肖特基二极管，比如SR1620~SR1660（额定电流16安培），通常这些二极管上还需要安装散热片以利于散热。 3、传统方案与替代方案的比较

使用二极管的传统方案电路简单，但有其固有的缺点：功耗大，发热严重，需加装散热片，占用体积大。由于电路中通常为大电流，二极管大部分时间处于前向导通模式，它的压降所引起的功耗不容忽视，最少压降的肖特基二极管也有0.45V，在大电流例如12A时就有5W的功耗，因此要特别处理散热问题。

现在新的冗余电源方案是采用大功率的MOSFET管来代替传统电路中的二极管，MOSFET的导通内阻可以到几个毫欧，因此大大降低了压降损耗，在大功率应用中，不仅实现了效率更高的解决方案，而且由于无需散热器，所以节省了大量的电路板面积，也减少了设备的散热源。

应用电路中MOSFET需要有专业芯片的控制，目前TI、Linear等各大公司都推出了一些成熟的该类芯片。

4 新方案中MOSFET的特殊应用

MOSFET（简称MOS管）在新的冗余电源方案中是关键器件，它与常规电路中的应用不同，很多人对于MOSFET的认识都存在一定误区，为了后续电路的介绍，下面对其特殊之处做一说明。

首先，MOSFET符号中的箭头并不代表实际电流流动的方向，在三极管应用中，电流方向与元件符号中的箭头方向相同，因此很多人以为MOSFET也是如此，其实MOS管与三极管不同，它的箭头方向只是表示从P极板指向N极板，与电流方向无关，如图2所示。其内部结构此处不再详述。

负载S电源D电源S负载DGN沟道MOSFET管GP沟道MOSFET管

图2 MOSFET的器件符号及常规应用中的电流方向

其次，应注意MOS管中二极管的存在，如图2所示，N沟道MOS管中源极S接二极管的阳极，P沟道MOS管中漏极D接二极管的阳极，因此在大多数把MOS管当作开关使用的电路中，对于N沟道MOS管，电流是从漏极流向源极，栅极G接高电压导通；对于P沟道MOS管，电流是从源极流向漏极，栅极G接低电压导通，如果不是这样，由于二极管的存在，栅极的控制就不能关断电流通路。

最后，应注意MOS管的电流流动方向是双向的，不同于三极管的单向导通。对于MOSFET的导电特性，大多数资料、文献及器件的数据手册中只给出了单向导电特性曲线，大多数应用也只是利用了它的单向导电特性，而对于其双向导电特性，则鲜有文献介绍。实

际上，MOSFET为电压控制器件，是通过栅极电压的大小改变感应电场生成的导电沟道的厚度来控制漏极电流的大小。以N沟道MOS管为例，当栅极电压小于开启电压时，无论源、漏极的极性如何，内部背靠背的两个PN结中，总有一个是反向偏置的，形成耗尽层，MOS管不导通；当栅极电压大于开启电压时，漏极和源极之间形成N型沟道，而N型沟道只是相当于一个无极性的等效电阻，且其电阻很小，此时如果在漏、源极之间加正向电压，电流就会从漏极流向源极，这是通常采用的一种方式，而如果在漏、源极之间加反向电压，电流则会从源极流向漏极，这种方式很少用到。

在冗余电源的应用电路中，MOS管的连接方向与常规不同，以N沟道管为例，连接电路应如图3所示，如果电源输入电压高于负载电源电压，即Vi > Vout，电流由Vi流向Vout；由于是冗余电源应用，负载电源电压Vout可能会高于电源输入电压Vi，这时候由外部电路控制MOS管栅极关断源、漏通路，同时由于内部二极管的反向阻断作用，使负载电源不能倒流回输入电源。

电源输入ViSGN沟道MOS管D负载电源总线Vout

图3 冗余电源中的单管应用

如果需要通过控制信号直接控制关断MOS管通路，上述的单管就无法实现，因为关断MOS管沟道之后，内部的二极管还存在单向通路，这时需要如图4所示的两个背靠背反向连接的MOS管电路，只有这样才能主动地关断电流通路。

电源输入ViSGDDGS负载电源总线Vout背靠背连接的N沟道MOS管

图4 冗余电源中双MOS管电路

5 几种实用冗余电源方案设计

本文主要讨论的是DC5V、DC12V之类的低压冗余电源设计，针对不同的功能、成本需求，下面给出几个设计方案实例。 5.1 简单的冗余电源方案

使用linear公司的LTC4416可以设计一个简单的2路电源冗余方案，如图5所示。

电源输入15V_IN1U112GND345H1E1GNDE2H2V1G1VSG2V29108675V_OUTDQ1SI7495DPSG电源输出GDLTC44165V_IN2S电源输入2Q2SI7495DP 图5 使用LTC4416构建的双路冗余电源电路

图中用一个LTC4416芯片连接2个外置P沟道MOSFET管控制两路电源输入，是一个非常简单的方案。它使用两个MOS管代替两个二极管实现了“或”的作用，MOS管的压降一般为20～30mV，因此功率损耗非常小，不会产生太多热量。

该电路的工作原理是LTC4416在两路输入电源的电压相同（差值小于100mV）时，通过G1、G2控制两个MOS管同时导通，使两路输入同时给负载提供电流。当输入电源电压不同时，输出电源电压可能高于某路输入电源电压，这时LTC4416可以防止输出向输入倒灌电流，原理是芯片一直监测输入与输出之间的电压差（V1-VS和V2-VS），当输出侧电压比输入侧电压高出25mV时，芯片控制G1或G2立即关断MOS管，防止电流倒流。在防止倒流方面其它控制芯片都是类似的原理。

LTC4416还有两个控制端E1、E2，可以用外部信号主动控制两路电源的通断，也可以通过电阻分压来监测输入电压的高低来控制某一路电源的导通，具体方法可参阅芯片数据手册，因此该芯片也适合于一路输入电源电压高、一路输入电源电压低的应用，如“电源＋电池”的应用，需要注意的是要让芯片主动去关断一路电源，外部MOS管必须使用“背靠背”的方案，如图4所示。

另外，使用TI的TPS2412可以构成多路输入电源的方案，这种方案需要为每路输入电源配置一片TPS2412。该方案电路如图6所示，每个芯片通过外部控制一个MOSFET管来模拟一个二极管的“或输入”，芯片的A、C管脚分别为输入、输出电源电压检测管脚，VDD为芯片供电电源，RSET通过配置不同的外接电阻来调节MOS管导通的速度，也可以悬空。由该芯片可以构成多于2路的电源冗余方案。

电源输入1U1243GNDRSETGNDRSVDABYPGATECVDD78561Q1SC1DTPS2412电源输入nUn243GNDRSETGNDRSVDABYPGATECVDD78561QnSCnDG2.2nF负载GGND2.2nFTPS2412 图6 由TPS2412构成的多路冗余电源方案

5.2 带过压、欠压检测的冗余电源方案

如图7所示，是由两个PI2121芯片构成的带过压、欠压检测的双路冗余电源方案。PI2121为VICOR（怀格）公司的一款电源冗余专用芯片，由于其内部集成有24A、1.5毫欧的MOSFET管，因此外部电路非常简单。芯片OV为过压检测管脚，高于0.5V时MOS管自动切断，UV为欠压检测管脚，低于0.5V时MOS管切断，FT为状态输出管脚，VC为芯片工作电源管脚，具体电路可参阅其数据手册。使用PI2121也可以灵活构成多路输入电源的方案。