新穎的均流IC 可輕松平衡兩個(gè)電源

“只許成功，不許失敗”—— 對(duì)于當(dāng)今那些始終保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電氣基礎(chǔ)設(shè)施 (電信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和電網(wǎng)等) 的設(shè)計(jì)師而言，這很可能是他們的座右銘。問題是，此類基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)件 (從不起眼的電容器到高度智能化的刀片服務(wù)器) 其使用壽命都是有限的，而且它們的壽命終止常常會(huì)出現(xiàn)在您最擔(dān)心、最不愿意的時(shí)刻。針對(duì)停機(jī)問題的常用解決方案是采用冗余結(jié)構(gòu)，這是指在某個(gè)關(guān)鍵組件發(fā)生故障時(shí)隨時(shí)可以接管并生效的后備系統(tǒng)。

例如：交付給用戶的高可用性計(jì)算機(jī)服務(wù)器通常配有兩個(gè)相似的 DC電源，用于給每塊專用電路板饋電。每個(gè)電源能獨(dú)自承擔(dān)整個(gè)負(fù)載的供電，而且兩個(gè)電源通過電源二極管連接在一起實(shí)現(xiàn)二極管“或”，以構(gòu)成單個(gè) 1 + 1 冗余電源。就是說，由電壓較高的那個(gè)電源向負(fù)載輸送功率，而另一個(gè)電源則處于待用狀態(tài)。假如那個(gè)工作電源的電壓由于故障或移除的原因而下降或消失，則曾經(jīng)是具有較低電壓的電源變成了較高電壓電源，于是由它接管為負(fù)載供電的工作。二極管負(fù)責(zé)避免反向饋電及兩個(gè)電源之間的交叉?zhèn)鲗?dǎo)，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免遭電源故障的損壞。

二極管“或”是一種簡(jiǎn)單的“贏家通吃”之系統(tǒng)，這里由電壓最高的電源提供全部的負(fù)載電流。電壓較低的電源則處于空閑狀態(tài)，直到被調(diào)用為止。雖然易于實(shí)現(xiàn)，但 1 + 1 解決方案效率欠佳，有可能被更好地用于改善總體工作效率及壽命的資源給白白浪費(fèi)掉了。由所有電源共同均分負(fù)載的供電效果要好得多，其優(yōu)勢(shì)如下：

l 如果各承擔(dān)一半的負(fù)載，那么電源的壽命會(huì)有所延長(zhǎng)，并有利于散播電源熱量和減小電源組件上承受的熱應(yīng)力。電子產(chǎn)品關(guān)于壽命有這樣一條經(jīng)驗(yàn)法則：溫度每下降 10°C，組件的故障率將減半。這對(duì)于提升可靠性是一項(xiàng)重大利好。

l 由于較低電壓電源始終處于可供使用的狀態(tài)，因此當(dāng)切換至備用電源時(shí)卻發(fā)現(xiàn)其早已悄無聲息地發(fā)生了故障 (這在簡(jiǎn)單的二極管“或”系統(tǒng)中是有可能出現(xiàn)的)，這種情況并不令人感到意外。

l 在負(fù)載均分系統(tǒng)中，可以并聯(lián)多個(gè)現(xiàn)有的小電源以構(gòu)成一個(gè)較大的電源。

l 發(fā)生電源故障時(shí)的恢復(fù)動(dòng)態(tài)特性更加平穩(wěn)快速，因?yàn)殡娫醋兓瘜儆?ldquo;較多和較少”，而并非“關(guān)斷和接通”。

l 由兩個(gè)以一半容量運(yùn)行的電源構(gòu)成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器比采用單個(gè)以接近滿容量運(yùn)行的電源具有更好的總體轉(zhuǎn)換效率。

均流的方法

把多個(gè)電源的輸出連接起來可使其均分一個(gè)公共負(fù)載電流。多個(gè)電源之間的負(fù)載電流分配取決于個(gè)別電源的輸出電壓以及至共同負(fù)載的電源通路電阻。這被稱為“壓降均分”(droop sharing)。為了避免電源反向饋電并使系統(tǒng)與故障電源相隔離，可以采取與每個(gè)電源串聯(lián)的方式插入二極管。當(dāng)然，這個(gè)增加的二極管電壓降會(huì)對(duì)負(fù)載均分的平衡產(chǎn)生影響。

壓降均分雖然簡(jiǎn)單，但均分準(zhǔn)確度的控制欠佳，而且串聯(lián)二極管將產(chǎn)生電壓和功率損耗。一種可控性更好的均流方式是監(jiān)視電源電流，將之與每個(gè)電源需要提供的平均電流進(jìn)行比較，然后調(diào)節(jié)電源電壓 (通過其微調(diào)引腳或反饋網(wǎng)絡(luò))，直到電源電流與要求值相匹配為止。這種方法需要布設(shè)至每個(gè)電源的導(dǎo)線 (一根共享總線)，以指示每個(gè)電源需要貢獻(xiàn)的電流。均流環(huán)路補(bǔ)償采用定制的設(shè)計(jì)方式，以適應(yīng)電源環(huán)路動(dòng)態(tài)特性。受控均流要求進(jìn)行謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)，并可使用所有的電源 (在某些系統(tǒng)中這是不可能的)。

本文介紹了一種新穎的均流方法，其可實(shí)現(xiàn)個(gè)別電源貢獻(xiàn)電流的主動(dòng)控制，但同時(shí)具有壓降均分的簡(jiǎn)單性。在該系統(tǒng)中，用可調(diào)二極管替代了一般的二極管，這種二極管具有可通過調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)平衡均流的接通電壓。此方法可獲得優(yōu)于壓降均分的均分準(zhǔn)確度，而且可調(diào)二極管用于實(shí)現(xiàn)均流所需消耗的功率極少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二極管的功率損耗。由于不需要共享總線，因此其可實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單和獨(dú)立于電源的補(bǔ)償和便攜式設(shè)計(jì)。對(duì)于那些難以使用或無法使用其微調(diào)引腳和反饋網(wǎng)絡(luò)的電源而言，這種方法是理想的選擇。

均流控制器

LTC4370 運(yùn)用了凌力爾特專有的可調(diào)二極管均流方法。該器件采用充當(dāng)可調(diào)二極管的外部 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電源之間的負(fù)載平衡，這些二極管的接通電壓可以調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)平衡均流。圖 1 示出了 LTC4370 在兩個(gè) 12V 電源之間均分一個(gè) 10A 負(fù)載的情形。

圖 1：LTC4370 在兩個(gè)二極管“或”12V 電源之間平衡一個(gè) 10A 負(fù)載電流。均流通過調(diào)節(jié) MOSFET 電壓降以補(bǔ)償電源電壓的失配來實(shí)現(xiàn)

圖 2 示出了影響負(fù)載均分的器件內(nèi)部組件。誤差放大器 EA 負(fù)責(zé)監(jiān)視 OUT1 和 OUT2 引腳之間的差分電壓。它設(shè)定兩個(gè)伺服放大器 (SA1 和 SA2，每個(gè)電源采用一個(gè)) 的正向調(diào)節(jié)電壓 VFR。伺服放大器調(diào)節(jié)外部 MOSFET 的柵極 (因而包括其電阻) 以使 MOSFET 兩端的正向壓降等于正向調(diào)節(jié)電壓。誤差放大器將較低電壓電源上的 VFR 設(shè)定為 25mV 的最小值。較高電壓電源上的伺服被設(shè)定為 “25mV + 兩個(gè)電源電壓的差”。這樣，兩個(gè) OUT 引腳電壓實(shí)現(xiàn)了均等。OUT1 = OUT2 意味著 I1 • R1 = I2 • R2。于是，倘若 R1 = R2 則 I1 = I2。可以采用對(duì)取值不同的檢測(cè)電阻器進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整以形成“比例式”均流，即：I1 / I2 = R2 / R1。請(qǐng)注意，負(fù)載電壓跟蹤低于最低電源電壓 25mV。

圖 2：LTC4370 中與負(fù)載均分相關(guān)的內(nèi)部組件

MOSFET 與伺服放大器一道起一個(gè)二極管的作用，此二極管的接通電壓為正向調(diào)節(jié)電壓。MOSFET 在其正向壓降下降至低于調(diào)節(jié)電壓時(shí)被關(guān)斷。當(dāng) MOSFET 電流增加時(shí)，柵極電壓上升以減小導(dǎo)通電阻，從而把正向壓降保持在 VFR。這會(huì)發(fā)生在柵極電壓高出電源電壓達(dá) 12V 之前。電流的進(jìn)一步上升將導(dǎo)致 MOSFET 兩端的壓降以 IFET • RDS(ON) 線性增加。

鑒于上述情況，當(dāng)誤差放大器設(shè)定了伺服放大器的正向調(diào)節(jié)電壓時(shí)，其在功能上等同于調(diào)節(jié) (基于 MOSFET 的) 二極管的接通電壓。調(diào)節(jié)范圍從 25mV 的最小值至由 RANGE 引腳設(shè)定的最大值 (見下文中的“設(shè)計(jì)考慮”)。

控制器能實(shí)現(xiàn) 0V 至 18V 電源的負(fù)載均分。當(dāng)兩個(gè)電源均低于 2.9V 時(shí)，需要在 VCC 引腳上連接一個(gè) 2.9V 至 6V 的外部電源，以為 LTC4370 供電。當(dāng)出現(xiàn)反向電流時(shí)，MOSFET 的柵極將在 1μs 之內(nèi)關(guān)斷。對(duì)于一個(gè)大的正向壓降，柵極也將在不到 1μs 的時(shí)間里接通。快速接通 (這一點(diǎn)對(duì)于低電壓電源很重要) 是利用集成型充電泵輸出端上的一個(gè)儲(chǔ)能電容器實(shí)現(xiàn)的。該電容器在器件上電時(shí)儲(chǔ)存電荷，并在快速接通過程中輸送 1.4A 的柵極上拉電流。

/EN1 和 /EN2 引腳可用于關(guān)斷其各自的 MOSFET。需注意，電流仍會(huì)流過 MOSFET 的體二極管。當(dāng)兩個(gè)通道均關(guān)斷時(shí)，器件的電流消耗減低至每個(gè)電源 80μA。FETON 輸出負(fù)責(zé)指示各自的 MOSFET 是處于導(dǎo)通還是關(guān)斷狀態(tài)。