電子設計 發表於 2019-02-18 09:21:00
片上系統 (SoC) 設備可實現更高的集成度，而高密度現場可編程門陣列 (FPGA) 可讓更多功能集成到工業系統中。 儘管如此，由於現在工業系統所扮演的角色，以前需要多種產品的支持才能實現，所以對故障容錯和冗餘的需求日益增長，這在控制器和電源上均有體現。
此外，更多的功能也帶來了更多的高峰值電流需求。 在此類情況下，電力系統設計人員可以選擇並聯兩個或多個裝置。 並聯除可滿足峰值功率需求外，還具有長期應力較小，整體可靠性更佳的優點，利於實施『n+1』冗餘設計。
n+1 架構是指在系統中至少增加一個附加電源，當其他電源中有一個出現故障時，該電源即可為系統提供電能。 n+1 冗餘架構是一種故障容錯技術，對於較大規模的系統而言，其性價比相當高。 正常運行條件下，多個電源同時發生故障的概率是相當低的，因此在由 2 個或 3 個以分流模式運行的電源陣列中，增加一個附加電源並不會導致成本大幅增加。
通常使用的 n+1 冗餘方法有兩種。 第一種方法為：指定一個備用電源，讓其處於冷待機或熱待機狀態。 儘管冷待機工作有利於延長備用電源的使用壽命，但故障發生後需要時間來啟動該備用電源，這期間可能導致系統故障。 熱待機可確保備用電源隨時準備在電源組中的另一電源發生故障時投入運行，但由於備用電源的工作負載極低，因此能效也低，而且相對於冷待機電源，熱待機電源承受的內部發熱應力也要大得多。
通過讓備用電源參與均流，可將各電源承受的應力在電源子系統中平衡。 一般而言，電源用於實現高輸出負載的峰值效率，這意味著低於峰值負載的工作電流均流造成發熱過多。 然而近年來的電源設計注重了低負載能效，讓這個問題不再那麼重要。 在使用高能效範圍更廣的電源時，可確保電源在正常工作時處於低熱量輸出區域，並在故障發生後進入高負載狀態。
用於 n+1 冗餘的解決方案提供數種級別，從全功率電源到 IC 級構建模塊皆有。 在全功率電源級別，CUI VFK600 系列專為並聯工作而設計。 並聯時，連接其 PC 引腳即可將負載電流均分於兩個模塊上。 為實現並聯工作，VFK600 可設置為兩種不同的模式，一種用於並聯工作，另一種用於 n+1 冗餘工作，適用於需要備用電源時的負載。
VFK600 可提供功率高達 700 W 的隔離輸出，採用堅固的金屬外殼包裝，帶有集成散熱器，適合與中間 DC 總線配套使用，提供 2:1 輸入範圍，從 18-36 VDC 電源或 36-77 VDC，轉換降壓至 12 至 48 VDC。 該電源具有內部短路保護和遠程開/關控制功能。
儘管像 VFK600 這樣的電源包含在 n+1 系統中工作的必要元件，但其他設計可能不包含，或者可能需要在電源設計中採用自定義方法。 因此，需要一種方法來實現多個並聯電源的安全互連。 n+1 設計中通常使用的技術之一是：使用 Schottky ORing 二極體將冗餘電源連接到負載上的公共點。
通常，ORing 設備是一種二極體，用於防止系統出現如輸入電源短路等故障。 由於二極體只允許電流由單一方向流過，ORing 二極體可實現冗餘總線的故障隔離，從而讓系統使用剩餘電源保持運行。
二極體將有效地瞬間斷開輸入電源短路。 然而，使用傳統二極體也存在缺點。 在 ORing 應用中，二極體運行壽命的大部分時間都處於正嚮導通模式。由於二極體的固有壓降會導致功率和熱耗散，進而需要更加優化的熱管理。
近年來，隨著功率密度的增加，功率耗散升高的問題日顯突出。在數據中心伺服器等應用中，迫切需要儘可能多地降低強制風冷成本。
用 N 溝道 MOSFET 來代替 ORing 二極體要稍微複雜一些，但 MOSFET 的導熱性更好，這就省去了高功率應用中對二極體散熱器和類似熱管理技術的需求，而代價則是略微增加了電路的複雜性。 有的控制器專為此用途而設計，比如 Texas Instruments LM5050-1。 這是一款正電壓、高壓側 ORing 控制器，可促使外部 N 溝道 MOSFET 充當 ORing 二極體的替代品。
MOSFET 源極和漏極引腳上的電壓由 LM5050-1 監控。 「柵極」輸出引腳根據監控到的源極-漏極電壓，促使 MOSFET 控制其運作。 由此構成了理想的整流器，即 MOSFET 的源極和漏極引腳各自充當二極體的陽極和陰極引腳。
圖 1：TI LM5050-1 的框圖。
LM5050-1 設計為當 MOSFET 源極和漏極引腳上的電壓下降至約 30 mV 以下時，對 MOSFET 柵極至源極電壓進行調節。 隨著電壓下降，柵極引腳電壓將會隨之下降，直至 MOSFET 的電壓調節至 22 mV。 如果 MOSFET 電流反轉（可能由於電源輸入故障，使得 MOSFET 漏極和源極電壓的負值超過大約 -30 mV），LM5050-1 會通過強放電電晶體促使 MOSFET 的柵極快速放電。
如果輸入電源突然發生故障，就如同電源直接接地短路時一樣，反向電流會暫時流經 MOSFET，直至柵極完全放電。 此反向電流來自負載電容和並聯電源。 LM5050-1 通常會在 25 ns 內對電壓反轉情況作出響應。 斷開 MOSFET 所需的實際時間取決於使用的 MOSFET 柵極電容所帶的電荷量。 根據 TI，具有 47 nF 有效柵極電容的 MOSFET 通常可在 180 ns 內關閉。 如此快速的關閉時間可以最大限度減少輸出端的電壓擾動和來自冗餘電源的電流瞬態。
當內部 LM5050-1 控制電路為 MOSFET 柵極放電時，輸入電源的突發零歐姆短路極有可能會引起反向電流流動。 在此時間內，反向電流僅受 MOSFET 導通電阻、寄生布線電阻和電感的限制。 在最壞情形下，瞬態反向電流通常限制在 (Vout - Vin)/RDS(on)。
當 MOSFET 像這樣突然關閉時，儲存在寄生布線電感中的電能將傳輸至電路的其餘部分。 因此，LM5050-1 可監控到測量引腳上的電壓尖峰。 連接電源的引腳可通過二極體在負電壓方向上將引腳箝位接地得到保護；另一引腳可使用 TVS 保護二極體、局部旁通電容器或兩者來保護。
替代分立有源 ORing 電路的另一種方式是選擇已封裝的版本，例如 Vicor 的 Cool-ORing 系列設備。 這些設備在高密度熱增強型 5 x 7 mm 柵格陣列 (LGA) 封裝中融入了高速 ORing MOSFET 控制器和極低導通電阻 MOSFET。 這些解決方案的導通電阻低至 1.5 μΩ，可承受在各工作溫度範圍內高達 24 A 的連續負載電流。 此設計可用於低壓、高側應用；將支持電路共同封裝，相對於分立解決方案，更能節省電路板空間。 元件對故障情況的響應速度高達 80 nS。 主/從功能允許設備並聯，以滿足高電流有源 ORing 的需求。
圖 2：Picor Cool-ORing 解決方案對故障情況的響應。
通過允許電源安全耦合，ORing 解決方案支持以合理的費用，為工業和類似系統創建基於 n+1 冗餘的更可靠的電力系統。
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