能輕松平衡兩個(gè)不同類型電源的均流控制器設(shè)計(jì)

“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：

1、 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。

2、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。

3、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。

4、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)殡娫醋兓瘜儆凇拜^多和較少”，而并非“關(guān)斷和接通”。

5、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?？梢圆捎脤?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?？焖俳油?（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)。

均流特性

圖 3 示出了 LTC4370 采用可調(diào)二極管法時(shí)的均流特性。圖 3 包含兩幅曲線圖，皆在 x 軸上具有電源電壓差 ?VIN = VIN1 – VIN2。上方的曲線圖示出了兩個(gè)歸一化至負(fù)載電流的電源電流；下方的曲線圖則示出了 MOSFET 兩端的正向電壓降 VFWDx。當(dāng)兩個(gè)電源電壓相等 （?VIN = 0V） 時(shí)，電源電流相等，而且兩個(gè)正向電壓處于 25mV 的最小伺服電壓。當(dāng) VIN1 升至高于 VIN2 （?VIN 為正），VFWD2 保持在 25mV，而 VFWD1 則精確地隨著 ?VIN 而增加，以維持 OUT1 = OUT2。這反過來又使得 I1 = I2 = 0.5ILOAD。

圖 3：當(dāng)電源電壓差異變化時(shí)，采用 LTC4370的均流特性方法

對(duì)于由 RANGE 引腳設(shè)定的 VFWD 之調(diào)節(jié)有一個(gè)上限。就圖 3 中的例子而言，該限值為 525mV，由 RANGE 引腳設(shè)定在 500mV。一旦 VFWD1 達(dá)到該限值，均流就將變得不平衡，VIN1 的任何進(jìn)一步上升都將把 OUT1 推至高于 OUT2。

斷點(diǎn)為 VFR（MAX） – VFR（MIN），此時(shí)較高電壓電源提供了較多的負(fù)載電流。當(dāng) OUT1 – OUT2 = ILOAD ? RSENSE 時(shí)，全部負(fù)載電流轉(zhuǎn)移至 I1。這是 MOSFET M1 中功率耗散最大的工作點(diǎn)，因?yàn)槿控?fù)載電流都從其中流過，產(chǎn)生了最大的正向壓降。例如：一個(gè) 10A 負(fù)載電流在 MOSFET 中引起 5.3W （= 10A ? 525mV） 的功率耗散。如果 ?VIN 有任何進(jìn)一步的上升，則控制器將使 M1 兩端的正向壓降減低至 25mV 的最小值。在未均分負(fù)載電流的情況下，對(duì)于大的 VIN，這可以最大限度地減少 MOSFET 中的功率耗散。對(duì)于負(fù) ?VIN，動(dòng)作是對(duì)稱的。

在本例中，均分捕獲范圍為 500mV，并且由 RANGE 引腳電壓設(shè)定。憑借此范圍，控制器能夠共用具有一個(gè) ±250mV 容差的電源。這轉(zhuǎn)化為：3.3V 電源的 ±7.5% 容差、5V 電源的 ±5% 容差、以及 12V 電源的 ±2% 容差。

設(shè)計(jì)考慮

以下是針對(duì)負(fù)載均分設(shè)計(jì)的一些高層次考慮因素。

MOSFET 選擇 — 理想的情況是，MOSFET 的 RDS（ON） 應(yīng)足夠小，這樣控制器就能夠在 MOSFET 中流過一半負(fù)載電流時(shí)在其兩端維持 25mV 的最小正向調(diào)節(jié)電壓。如果 RDS（ON） 較高，則會(huì)妨礙控制器調(diào)節(jié) 25mV。在此場(chǎng)合中，未調(diào)節(jié)壓降為 0.5IL ? RDS（ON）。當(dāng)該壓降上升時(shí)，均分?jǐn)帱c(diǎn) （現(xiàn)在由 VFR（MAX） – 0.5IL ? RDS（ON） 確定） 將提前出現(xiàn)，導(dǎo)致捕獲范圍縮小。

由于 MOSFET 會(huì)耗散功率 （在圖 3 中高達(dá) IL ? VFR（MAX）），因此應(yīng)適當(dāng)?shù)剡x擇其封裝和散熱器。減少 MOSFET 功率耗散的唯一辦法是采用準(zhǔn)確度更高的電源或者放棄均分范圍。

RANGE 引腳 — RANGE 引腳負(fù)責(zé)設(shè)定應(yīng)用的均分捕獲范圍，而這又取決于電源的準(zhǔn)確度。比如：采用 ±3% 容差電源的 5V 系統(tǒng)將需要一個(gè) 2 ? 5V ? 3% （即 300mV） 的均分范圍 （較高的電源為 5.15V，而較低的則為 4.85V）。RANGE 引腳具有一個(gè) 10μA 的精準(zhǔn)內(nèi)部上拉電流。在 RANGE 引腳上布設(shè)一個(gè) 30.1k 電阻器可將其電壓設(shè)定為 301mV，此時(shí)控制器能夠補(bǔ)償 300mV 的電源壓差 （見圖 4）。

圖 4：帶狀態(tài)指示燈的 5V 二極管“或”負(fù)載均分。當(dāng)任意 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，紅光 LED D1 將點(diǎn)亮，表示均分出現(xiàn)中斷

把 RANGE 引腳置于開路狀態(tài) （如圖 1 所示） 將提供 600mV 的最大可能均分范圍。但是，當(dāng)伺服電壓接近二極管電壓時(shí)，電流將會(huì)流過 MOSFET 的體二極管，從而引起均分損耗。把 RANGE 引腳連接至 VCC 可停用負(fù)載均分功能，以將器件變?yōu)橐粋€(gè)雙通道理想二極管控制器。

補(bǔ)償 — 負(fù)載均分環(huán)路利用連接在 COMP 引腳和地之間的單個(gè)電容器進(jìn)行補(bǔ)償。該電容器必須為 MOSFET 輸入 （柵極） 電容 CISS 的 50 倍。如果并未在使用快速柵極接通 （未接入 CPO 電容器），則該電容器可以僅為 10 x CISS。

檢測(cè)電阻器 — 檢測(cè)電阻器決定了負(fù)載均分準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度隨著電阻器電壓降的增加而有所改善。最大誤差放大器失調(diào)為 2mV。因此，25mV 的檢測(cè)電阻器壓降將產(chǎn)生一個(gè) 4% 的均分誤差。如果功率耗散指標(biāo)的重要性高于準(zhǔn)確度，則可減低檢測(cè)電阻器的阻值。

結(jié)論

歷史上，在電源之間平衡負(fù)載電流一直是個(gè)難題，這不禁讓我們聯(lián)想到走鋼絲的驚險(xiǎn)場(chǎng)景。當(dāng)電源模塊或磚型電源未提供內(nèi)置支持時(shí)，有些設(shè)計(jì)人員將花費(fèi)大量的時(shí)間設(shè)計(jì)良好受控的系統(tǒng) （并在電源類型改變時(shí)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)）；而其他的設(shè)計(jì)師則將勉強(qiáng)接受基于電阻的粗略型壓降均分法。

LTC4370 采用了一種完全不同于任何其他控制器的電源負(fù)載均分方法。該器件可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) （特別是對(duì)于那些不適于實(shí)施執(zhí)行中微調(diào)的電源），而且其可移植到各種不同類型的電源。固有的二極管特性可防止電源遭受反向電流，并保護(hù)系統(tǒng)免遭故障電源的損壞。LTC4370 為一個(gè)精細(xì)復(fù)雜的問題提供了簡(jiǎn)單、精巧和緊湊的解決方案。