基于N+1冗余的更可靠的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案

片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備可實(shí)現(xiàn)更高的集成度，而高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 可讓更多功能集成到工業(yè)系統(tǒng)中。 盡管如此，由于現(xiàn)在工業(yè)系統(tǒng)所扮演的角色，以前需要多種產(chǎn)品的支持才能實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)故障容錯(cuò)和冗余的需求日益增長(zhǎng)，這在控制器和電源上均有體現(xiàn)。

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(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇并聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)裝置。 并聯(lián)除可滿足峰值功率需求外，還具有長(zhǎng)期應(yīng)力較小，整體可靠性更佳的優(yōu)點(diǎn)，利于實(shí)施‘n+1’冗余設(shè)計(jì)。

n+1 架構(gòu)是指在系統(tǒng)中至少增加一個(gè)附加電源，當(dāng)其他電源中有一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，該電源即可為系統(tǒng)提供電能。 n+1 冗余架構(gòu)是一種故障容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)于較大規(guī)模的系統(tǒng)而言，其性價(jià)比相當(dāng)高。 正常運(yùn)行條件下，多個(gè)電源同時(shí)發(fā)生故障的概率是相當(dāng)?shù)偷?，因此在?2 個(gè)或 3 個(gè)以分流模式運(yùn)行的電源陣列中，增加一個(gè)附加電源并不會(huì)導(dǎo)致成本大幅增加。

通常使用的 n+1 冗余方法有兩種。 第一種方法為：指定一個(gè)備用電源，讓其處于冷待機(jī)或熱待機(jī)狀態(tài)。 盡管冷待機(jī)工作有利于延長(zhǎng)備用電源的使用壽命，但故障發(fā)生后需要時(shí)間來啟動(dòng)該備用電源，這期間可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。 熱待機(jī)可確保備用電源隨時(shí)準(zhǔn)備在電源組中的另一電源發(fā)生故障時(shí)投入運(yùn)行，但由于備用電源的工作負(fù)載極低，因此能效也低，而且相對(duì)于冷待機(jī)電源，熱待機(jī)電源承受的內(nèi)部發(fā)熱應(yīng)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(yīng)力在電源子系統(tǒng)中平衡。 一般而言，電源用于實(shí)現(xiàn)高輸出負(fù)載的峰值效率，這意味著低于峰值負(fù)載的工作電流均流造成發(fā)熱過多。 然而近年來的電源設(shè)計(jì)注重了低負(fù)載能效，讓這個(gè)問題不再那么重要。 在使用高能效范圍更廣的電源時(shí)，可確保電源在正常工作時(shí)處于低熱量輸出區(qū)域，并在故障發(fā)生后進(jìn)入高負(fù)載狀態(tài)。

用于 n+1 冗余的解決方案提供數(shù)種級(jí)別，從全功率電源到 IC 級(jí)構(gòu)建模塊皆有。 在全功率電源級(jí)別，CUI VFK600 系列專為并聯(lián)工作而設(shè)計(jì)。 并聯(lián)時(shí)，連接其 PC 引腳即可將負(fù)載電流均分于兩個(gè)模塊上。 為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)工作，VFK600 可設(shè)置為兩種不同的模式，一種用于并聯(lián)工作，另一種用于 n+1 冗余工作，適用于需要備用電源時(shí)的負(fù)載。

VFK600 可提供功率高達(dá) 700 W 的隔離輸出，采用堅(jiān)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 輸入范圍，從 18-36 VDC 電源或 36-77 VDC，轉(zhuǎn)換降壓至 12 至 48 VDC。 該電源具有內(nèi)部短路保護(hù)和遠(yuǎn)程開/關(guān)控制功能。

盡管像 VFK600 這樣的電源包含在 n+1 系統(tǒng)中工作的必要元件，但其他設(shè)計(jì)可能不包含，或者可能需要在電源設(shè)計(jì)中采用自定義方法。 因此，需要一種方法來實(shí)現(xiàn)多個(gè)并聯(lián)電源的安全互連。 n+1 設(shè)計(jì)中通常使用的技術(shù)之一是：使用 Schottky ORing 二極管將冗余電源連接到負(fù)載上的公共點(diǎn)。

通常，ORing 設(shè)備是一種二極管，用于防止系統(tǒng)出現(xiàn)如輸入電源短路等故障。 由于二極管只允許電流由單一方向流過，ORing 二極管可實(shí)現(xiàn)冗余總線的故障隔離，從而讓系統(tǒng)使用剩余電源保持運(yùn)行。

二極管將有效地瞬間斷開輸入電源短路。 然而，使用傳統(tǒng)二極管也存在缺點(diǎn)。 在 ORing 應(yīng)用中，二極管運(yùn)行壽命的大部分時(shí)間都處于正向?qū)Ｊ?。由于二極管的固有壓降會(huì)導(dǎo)致功率和熱耗散，進(jìn)而需要更加優(yōu)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(shù)據(jù)中心服務(wù)器等應(yīng)用中，迫切需要盡可能多地降低強(qiáng)制風(fēng)冷成本。

用 N 溝道 MOSFET 來代替 ORing 二極管要稍微復(fù)雜一些，但 MOSFET 的導(dǎo)熱性更好，這就省去了高功率應(yīng)用中對(duì)二極管散熱器和類似熱管理技術(shù)的需求，而代價(jià)則是略微增加了電路的復(fù)雜性。 有的控制器專為此用途而設(shè)計(jì)，比如 Texas Instruments LM5050-1。 這是一款正電壓、高壓側(cè) ORing 控制器，可促使外部 N 溝道 MOSFET 充當(dāng) ORing 二極管的替代品。

MOSFET 源極和漏極引腳上的電壓由 LM5050-1 監(jiān)控。 “柵極”輸出引腳根據(jù)監(jiān)控到的源極-漏極電壓，促使 MOSFET 控制其運(yùn)作。 由此構(gòu)成了理想的整流器，即 MOSFET 的源極和漏極引腳各自充當(dāng)二極管的陽極和陰極引腳。

圖 1：TI LM5050-1 的框圖。

LM5050-1 設(shè)計(jì)為當(dāng) MOSFET 源極和漏極引腳上的電壓下降至約 30 mV 以下時(shí)，對(duì) MOSFET 柵極至源極電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 隨著電壓下降，柵極引腳電壓將會(huì)隨之下降，直至 MOSFET 的電壓調(diào)節(jié)至 22 mV。 如果 MOSFET 電流反轉(zhuǎn)(可能由于電源輸入故障，使得 MOSFET 漏極和源極電壓的負(fù)值超過大約 -30 mV)，LM5050-1 會(huì)通過強(qiáng)放電晶體管促使 MOSFET 的柵極快速放電。

如果輸入電源突然發(fā)生故障，就如同電源直接接地短路時(shí)一樣，反向電流會(huì)暫時(shí)流經(jīng) MOSFET，直至柵極完全放電。 此反向電流來自負(fù)載電容和并聯(lián)電源。 LM5050-1 通常會(huì)在 25 ns 內(nèi)對(duì)電壓反轉(zhuǎn)情況作出響應(yīng)。 斷開 MOSFET 所需的實(shí)際時(shí)間取決于使用的 MOSFET 柵極電容所帶的電荷量。 根據(jù) TI，具有 47 nF 有效柵極電容的 MOSFET 通?？稍?180 ns 內(nèi)關(guān)閉。 如此快速的關(guān)閉時(shí)間可以最大限度減少輸出端的電壓擾動(dòng)和來自冗余電源的電流瞬態(tài)。

當(dāng)內(nèi)部 LM5050-1 控制電路為 MOSFET 柵極放電時(shí)，輸入電源的突發(fā)零歐姆短路極有可能會(huì)引起反向電流流動(dòng)。 在此時(shí)間內(nèi)，反向電流僅受 MOSFET 導(dǎo)通電阻、寄生布線電阻和電感的限制。 在最壞情形下，瞬態(tài)反向電流通常限制在 (Vout - Vin)/RDS(on)。

當(dāng) MOSFET 像這樣突然關(guān)閉時(shí)，儲(chǔ)存在寄生布線電感中的電能將傳輸至電路的其余部分。 因此，LM5050-1 可監(jiān)控到測(cè)量引腳上的電壓尖峰。 連接電源的引腳可通過二極管在負(fù)電壓方向上將引腳箝位接地得到保護(hù);另一引腳可使用 TVS 保護(hù)二極管、局部旁通電容器或兩者來保護(hù)。

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(shè)備。 這些設(shè)備在高密度熱增強(qiáng)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(dǎo)通電阻 MOSFET。 這些解決方案的導(dǎo)通電阻低至 1.5 μΩ，可承受在各工作溫度范圍內(nèi)高達(dá) 24 A 的連續(xù)負(fù)載電流。 此設(shè)計(jì)可用于低壓、高側(cè)應(yīng)用;將支持電路共同封裝，相對(duì)于分立解決方案，更能節(jié)省電路板空間。 元件對(duì)故障情況的響應(yīng)速度高達(dá) 80 nS。 主/從功能允許設(shè)備并聯(lián)，以滿足高電流有源 ORing 的需求。

圖 2：Picor Cool-ORing 解決方案對(duì)故障情況的響應(yīng)。

通過允許電源安全耦合，ORing 解決方案支持以合理的費(fèi)用，為工業(yè)和類似系統(tǒng)創(chuàng)建基于 n+1 冗余的更可靠的電力系統(tǒng)。