工程師該如何選擇電源？ - 全文

　　由于電子產品的風靡，能夠用多種電源供電的設備已經屢見不鮮了。例如，工業(yè)手持式儀表或便攜式醫(yī)療診斷設備大部分時間用電池供電，但一旦插入交流適配器或USB端口，就從交流適配器或USB端口吸取功率了，這時既為電池充電，又為系統(tǒng)供電。在移動系統(tǒng)的另一端，大型高可用性服務器機架內至少有兩個電源，以在任何一個電源出故障時，保持服務器正常運行。存儲服務器則用超級電容器做備份電源，以在主電源斷開時，干凈利落地實現(xiàn)無差錯停機，當然，也有些服務器采用大電流主電源和小電流輔助電源。所有這些系統(tǒng)都面臨著一項重要任務，即在各種不同的可用電源中，選擇一個為系統(tǒng)負載供電。

　　電源多路復用中隱藏的問題

　　在給定環(huán)境中選擇合適電源這一任務，聽起來簡單輕松，但是如果選擇不當，后果很嚴重，可能造成系統(tǒng)故障并損壞電源。如果加在電源輸出端的電壓較高，那么在并聯(lián)工作的電源之間進行切換可能導致電流回流到電源中。有些電源如果遭遇能量返回，就會出現(xiàn)故障，使控制環(huán)路中斷，引起電源輸入端子過壓，這有可能導致電容器及其他器件燒掉。并聯(lián)電源切換時還存在一個風險，即所有電源與輸出之間的斷接時間都可能過長，導致輸出電壓下降，系統(tǒng)復位或系統(tǒng)運行不正常。當電源之間的電壓比較接近時，會出現(xiàn)第三個問題。有些基于比較器的控制方法引入了一種振蕩模式，即在電源之間連續(xù)切換，這樣一來，電源之間的切換就需要周密設計了。

　　相同的電源

　　讓我們從最簡單的情況開始—由兩個相同的電源給一個系統(tǒng)供電。這里相同的含義是，相同的標稱電壓，其變化在電源容限范圍內通常為百分之幾。這種情況出現(xiàn)在高可用性服務器中，這類服務器配備兩個或更多冗余電源，以在任何電源出現(xiàn)故障時，能夠不間斷運行。在這類系統(tǒng)中，一種簡單的方法是，選擇電壓最高的電源給系統(tǒng)供電。兩個二極管的陽極分別連接兩個電源，陰極則連在一起，形成所謂的二極管“或”電路，這樣就實現(xiàn)了由電壓較高的電源供電的功能（參見圖1）。僅連入一個電源時，這個電路也正常工作。存在兩個電源時，電壓較高的那個電源，其二極管正向偏置，另一個二極管則反向偏置。

　　圖1：兩個電源的二極管“或”電路向負載供電。

　　新式服務器中有多個板卡，功率輕易就能超過千瓦，因此12V直流電源須提供50A～100A的電流。運用普通的老式二極管，即使是壓差較低的肖特基二極管，對這樣兩個12V電源進行二極管“或”，如果不是不可能，也要面臨可怕的熱量管理任務，因為在這么大電流時，兩個二極管的電壓下降1V，就會消耗很大的功率，例如，在50A電流時，功耗為50W。因此需要壓差低得多的理想二極管。正像解決其他許多電路問題時一樣，MOSFET再次伸出了援手。MOSFET 加上一個檢測電路，可起到理想二極管的作用，正向偏置時（輸入高于輸出），接通壓差非常低，反向偏置時（輸入低于輸出）則斷開。理想二極管壓差可降至普通二極管的1/10，因此功耗降至可應對的5W。通過RDS（ON）為2m的單個或并聯(lián)N溝道MOSFET，很容易實現(xiàn)這樣的理想二極管“或”電路。圖2顯示了一個這樣的電路及其I-V曲線。凌力爾特的LTC4352控制一個N溝道MOSFET，以實現(xiàn)理想二極管功能。這樣的兩個電路并聯(lián)，就形成了一個理想二極管“或”電路，可用于冗余電源系統(tǒng)。按照一定比例線性跟隨MOSFET的壓降，可確保電源不產生振蕩，平滑切換，而0.5μs 的快速接通和斷開時間，則最大限度地減小了輸出壓降和反向電流。

　　圖2：具UV/OV的LTC4352理想二極管及其I-V曲線。

　　理想二極管的功能是無源二極管望塵莫及的。僅當輸入處于欠壓（UV）和過壓（OV）門限設定的有效范圍之內時，LTC4352才能成為理想二極管。 STATUS#引腳向下游電路提供MOSFET接通或斷開的狀態(tài)信號，F(xiàn)AULT#引腳指示MOSFET是由于UV/OV狀況而關斷，還是由于 MOSFET呈電阻性或開路而導致過大壓降，后者在故障發(fā)生之前發(fā)出了即將出現(xiàn)故障的警報。

　　讓我們共享負載吧

　　二極管“或”是一種“贏家通吃”型系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，電壓最高的電源提供全部負載電流。如果兩個電源均等地向負載供電，將熱量壓力一分為二共同承擔，那么電源系統(tǒng)的可靠性會大幅提高，電源的壽命也可得到延長。然而，許多調節(jié)電源的負載共享電路受到了環(huán)路振蕩的困擾。與電源變化互動的負載共享控制環(huán)路使問題變得復雜了。在這里利用理想二極管概念可以解決問題。通過調節(jié)理想二極管壓降，補償電源電壓之差，可以使兩個理想二極管的輸出電壓相等。在這兩個相等的點和共享負載之間加入檢測電阻器，可確保兩個電源流出的電流相等或成一定比例。LTC4370二極管“或”均流控制器采用了這種針對兩個電源的均流方法（參見圖3）。這種方法可補償高達600mV的電源電壓之差，這意味著兩個 12V電源具有±2.5%的容限，或兩個5V電源具有±6%的容限。

　　圖3：LTC4370在兩個二極管“或”連接的12V電源之間均衡10A負載電流。通過調節(jié)MOSFET壓降來補償電源電壓失配，以實現(xiàn)均流。

　　不同的電源

　　在上述的服務器例子中，兩個電源相同時，二極管“或”和負載共享方法非常適用。但是這些方法不適合電池供電系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，輸入來自電池、交流適配器或 5V USB電源，也就是說，這些電源的標稱電壓差異甚大。在有些情況下，還會涉及超級電容器備份電源。因此，需要一種更加通用的解決方案，而不是簡單地通過衡量電源電壓高低來工作。這種解決方案稱為優(yōu)先級供電處理器。該解決方案的基礎是，電池供電系統(tǒng)的電源有一個優(yōu)先順序。通常情況下，交流適配器排在最前面，只要存在交流適配器，系統(tǒng)就從交流適配器吸取功率。每一種電源都必須有一個確定的有效電壓范圍（以檢測該電源的存在）和優(yōu)先級。如果某種電源存在，就會按照它的優(yōu)先級考慮是否用它給系統(tǒng)供電。LTC4417優(yōu)先級選擇器根據(jù)3個電源的有效電壓窗口和優(yōu)先級作出選擇，僅將其中之一連接到輸出（參見圖4）。小心切換以免將兩個電源連到一起，僅在輸出電壓低于輸入電壓時才將電源連接到輸出。這最大限度地減小或消除了流回電源的反向電流。另外，這么做還實現(xiàn)了受控的快速切換，以限制輸出電壓下降和浪涌電流。

　　圖4：LTC4417 3電源優(yōu)先級供電處理器。

　　結論

　　視系統(tǒng)中采用的電源種類的不同而不同，首先需要為電源多路復用選擇合適的解決方案?？蛇x擇的方案是二極管“或”（有或沒有負載共享）和優(yōu)先級供電處理器。不論選擇哪種方法，選擇正確的電源給負載供電都需要仔細設計，以避免毀掉整個系統(tǒng)。流回到電源的反向電流和輸出電壓下降要盡量減小，以避免引起電源之間來回振蕩性地切換。本文介紹的這些解決方案以簡練的方法解決了這些問題。