傳統(tǒng)冗余電源隔離方案及分類(lèi)

一、冗余電源的定義

冗余電源是指多個(gè)電源（N+1方式）同時(shí)給同一或多個(gè)設(shè)備供電，當(dāng)其中1個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，其他電源可以不受其影響，不中斷設(shè)備的正常運(yùn)行。

二、冗余電源的分類(lèi)

三、冗余開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用

冗余電源常用于一些需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷操作、高可靠的系統(tǒng)，如基站通 信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器等，往往需要高可靠的電源供應(yīng)。冗余電源 是其中的關(guān)部分，在高可用系統(tǒng)中起著重要作用。

隔離設(shè)計(jì)方案及線路分析

一、傳統(tǒng)冗余電源隔離方案：

1、優(yōu)點(diǎn)：由2個(gè)或多個(gè)電源通過(guò)分別連接二極管陽(yáng)極，以“或門(mén)”的方式并聯(lián) 輸出至電源總線上，工作可靠性高，不會(huì)出現(xiàn)電源間相互干擾

2、缺點(diǎn)：由于二極管本身壓降Vf值較大，從 而會(huì)引入兩個(gè)缺點(diǎn)：

二、采用分離器件+MOS管方式做冗余電源隔離方案：

1、線路圖及工 作原理：

A、當(dāng)順流時(shí)Va=Vc+Vd=Vq+Vr,因?yàn)镼2導(dǎo)通條件：Va-Vb>Vd,但這里Va-Vb

B、當(dāng)出現(xiàn)反灌電流時(shí)Va=Vc+Vd=Vq-Vr,這時(shí)Va-Vb

2、優(yōu)點(diǎn)：MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻可以到幾mΩ，大大降低了壓降損耗。在大功率應(yīng)用中，不 僅實(shí)現(xiàn)了效率更高的解決方案，而且由于無(wú)需散熱器，所以節(jié)省了大量的電路板面積，也減少 了設(shè)備的散熱源。同時(shí)周?chē)骷?，成本也不高?/span>

3、缺點(diǎn)：該線路當(dāng)MOSFET的的選用 R DS(on) 過(guò)小，根據(jù)線路分析，可能出現(xiàn) Va-Vb所得的電壓無(wú)法開(kāi)啟Q2的情況，導(dǎo)致隔離線路不受控從而引起大電流到灌的 不良情況發(fā)生。

三、采用IC控制MOS管方式做冗余電源隔離方案：

1、線路圖：

工作原理：

該電路的工作原理是，LTC4416通過(guò)G1、G2控制2個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，使2 路輸入同時(shí)給 負(fù)載提供電流。當(dāng)輸入電源電壓不同時(shí)，輸出電源電壓可能高于某路輸入電源電壓，這時(shí) LTC4416可以防止輸出向輸入倒灌電流。這是因?yàn)?a target="_blank">芯片一直監(jiān)測(cè)輸入與輸出之間的電壓差， 當(dāng)輸出側(cè)電壓比輸入側(cè)電壓高25 mV時(shí)，芯片控制G1或G2立即關(guān)斷MOSFET，防止電 流倒流。在防止倒流方面，其他控制芯片也是類(lèi)似的原理。

TPS2412 構(gòu)成的多路 冗余電源方案：

2、優(yōu)點(diǎn)：

該電路給采用更低RDS(on) 的MOS管來(lái)做冗余電源隔離線路提供了可 靠的保證，同時(shí)給追求高效率的冗余電源系統(tǒng)帶來(lái)了希望。

3、缺點(diǎn)：

該電路給采用了更低 R DS(on) 的MOS管，造成成本的增加，同 時(shí)因?yàn)榧奢^高，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些不良狀況時(shí)受限IC功能較大，不 容易修改缺陷。

均流設(shè)計(jì)方案及線路分析

一、冗余電源均流的必要性：

二、冗余電源均流的分類(lèi)：

三、電壓下降法：

1、架構(gòu)原理：

2、工作簡(jiǎn)介：

其動(dòng)作原理主要是利用規(guī)劃個(gè)別轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗，以此來(lái)達(dá)成負(fù)載電流平均分配的效果， 其主要特點(diǎn)是兩個(gè)電源模組并聯(lián)但其控制線路上并沒(méi)有彼此輸出電流的信息。

3、優(yōu)點(diǎn)：

（1）：容易擴(kuò)充并聯(lián)系統(tǒng)
（2）：每一臺(tái)電源間不需要互相連接
（3）：較高的模塊化能力和可靠度

4、缺點(diǎn)：

（1）：較差的負(fù)載調(diào)整能力
（2）：在不同負(fù)載需求下均流效果比較差

四、主動(dòng)均流法：

1、架構(gòu)方框圖：

2、原理特征：

機(jī)臺(tái)間能獲得彼此間輸出電流的信息，而其輸出電流的信息傳遞的管道稱(chēng)為均流母線(Currintsharing bus, CS_Bus)。這個(gè)均流母線的功用是提供一電流參考訊號(hào)，使得每一個(gè)并聯(lián)的模塊能夠根 據(jù)此電流參考訊號(hào)來(lái)調(diào)整本身的控制訊號(hào)，最后使負(fù)載電流能平均分散到每一部并聯(lián)的模塊。

3、電壓下降法與主動(dòng)均流比較：

電壓下降法雖然比較簡(jiǎn)單、容易達(dá)成，不過(guò)是屬于被動(dòng)的并聯(lián)方式，且其均流準(zhǔn)確度和 電壓調(diào)整率無(wú)法同時(shí)具備。主動(dòng)均流技術(shù)雖然比電壓下降法復(fù)雜，不過(guò)確可以改善電壓 下降法的缺點(diǎn)，而且可以同時(shí)具備高均流準(zhǔn)確度和高電壓調(diào)整率，也是目前最常采用的 并聯(lián)方式。

4、主動(dòng)均流法的分類(lèi)：

A、按控制架構(gòu)分：

1）、外回路調(diào)整架構(gòu)：

工作特點(diǎn)：

每一個(gè)電源模塊本身已經(jīng)有一個(gè)電流回路當(dāng)作是內(nèi)回路用來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及穩(wěn)定度， 另外，有一個(gè)電壓外回路來(lái)調(diào)整模塊的輸出電壓。使用外回路并聯(lián)電源模塊，只需在每一 個(gè)電源模塊電壓回路外，加入一個(gè)響應(yīng)較慢的均流回路利用模塊的輸出電流的誤差來(lái)調(diào)整 外部電壓回路的參考值，此調(diào)整動(dòng)作將持續(xù)到負(fù)載電流被平均分配至每一個(gè)模塊為止。

優(yōu)點(diǎn)：
（1）：較易于實(shí)現(xiàn)模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化
（2）：每系統(tǒng)的架構(gòu)較有彈性、易擴(kuò)充及維修容易
（3）：較佳的故障容許能力。

缺點(diǎn)：
負(fù)載變動(dòng)期間均流效果較差。

2）、內(nèi)回路調(diào)整架構(gòu)：

工作特點(diǎn)：

內(nèi)回路調(diào)整法與外回路調(diào)整法最大的不同是，其均流總線之共同參考命令是由電壓誤差訊號(hào)所產(chǎn)生，而不是電 流，主要?jiǎng)幼髟頌椋河烧{(diào)整每個(gè)電源模塊之輸出電壓到相同來(lái)達(dá)到均流的目的。這個(gè)方法因?yàn)榫骰芈?在電壓回路之前，因此均流誤差訊號(hào)不會(huì)通過(guò)電壓回路，其均流回路的響應(yīng)不會(huì)像外回路調(diào)節(jié)法一樣，頻 寬被電壓回路所限制，所以整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)會(huì)比較快而且穩(wěn)定，可以改善外回路調(diào)節(jié)法在負(fù)載變動(dòng)期間均 流效果不佳的問(wèn)題。

優(yōu)點(diǎn)：
（1）：瞬時(shí)期間有較穩(wěn)定的均流效果
（2）：精確的輸出電壓調(diào)整率。

缺點(diǎn)：
（1）提高模塊化的困難
（2）：較差的故障容忍度。

3）、雙回路調(diào)整架構(gòu)：

工作特點(diǎn)：
雙回路的控制架構(gòu)就是將均流回路是與電壓回路并聯(lián)，可以兼具外回路調(diào)整法與內(nèi)回路調(diào)整法之優(yōu)點(diǎn)。雖 然這種控制架構(gòu)和內(nèi)回路調(diào)節(jié)法一樣對(duì)于原來(lái)模塊的控制電路都需要重新設(shè)計(jì)。不過(guò)，每一個(gè)回路在設(shè)計(jì) 上卻可以提供較多彈性，不需要對(duì)兩回路間的相互影響有太多的顧慮，所以均流回路可以不受到電壓回路 的頻寬限制，可以有較快的響應(yīng)能力，也可將均流回路與模塊本身的電流內(nèi)回路整合在一起，使得整體架 構(gòu)變的更簡(jiǎn)

優(yōu)點(diǎn)：
（1）：瞬時(shí)期間有較穩(wěn)定的均流效果
（2）：精確的輸出電壓調(diào)整率。

缺點(diǎn)：
提高模塊化的困難

B、按均流誤差訊號(hào)方式分：

1）、平均電流法：

工作特點(diǎn)：

利用電阻將每一部電源模塊輸出電流平均，此平均電流訊號(hào)提供給每 一部電源模塊作為共同電流參考命令。

優(yōu)點(diǎn)：
（1）：系統(tǒng)較穩(wěn)定且均流準(zhǔn)確度高
（2）：均流控制抗噪聲免疫力佳。

缺點(diǎn)：
因?yàn)榫骺偩€上的電流命令為(Io1+ Io2+…+ Ion)/N，若其中一部電源模 塊發(fā)生故障，使得其輸出電流為0， 容易引起系統(tǒng)停機(jī)。

2）、直接主仆法：

工作特點(diǎn)：

直接主仆總線是在并聯(lián)的電源模塊中選擇其中一部模塊當(dāng)做是主電源模塊，驅(qū)動(dòng) 均流總線使用其輸出電流的信息，而其它的電源模塊則是根據(jù)均流總線上的電流 參考命令去調(diào)整其本身的輸出電流，讓自己的輸出電流能與主電源模塊相同。

優(yōu)點(diǎn)：
（1）：均流準(zhǔn)確度高
（2）：系統(tǒng)與輸出電壓較穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：
故障容許能力不佳，假如主模塊故障 的話將會(huì)使得均流排上的電流訊號(hào)變 為零，結(jié)果會(huì)讓其它的從模塊會(huì)無(wú)法 接受均流相應(yīng)。

3）、自動(dòng)主仆法：

工作特點(diǎn)：

利用二極管將輸出電流最高的電源模塊之輸出電流，做為其它電源模塊之共同電 流參考命令，其它電源模塊會(huì)相應(yīng)其命令使自身電流更接近最高的電源模塊之輸 出電流。

優(yōu)點(diǎn)：
（1）：系統(tǒng)有較佳的故障容忍度
（2）：易擴(kuò)充及實(shí)現(xiàn)模塊化。

缺點(diǎn)：
（1）：瞬時(shí)時(shí)電流分配較差
（2）：均流控制易發(fā)生錯(cuò)誤
（3）：均流排抗噪聲能力差。

五、自動(dòng)主仆法CS-BUS相互干擾在線路上的改進(jìn)：

A、機(jī)臺(tái)CS-BUS相互干擾原因分析：

當(dāng)仆模塊的電流增加超越主模塊時(shí)，其主、仆的角色將會(huì)互換，但是如果每個(gè)模塊的電流太接近的話將會(huì)造成角色互 換的動(dòng)作太過(guò)于頻繁而產(chǎn)生輸出電流低頻振蕩。

B、在應(yīng)用線路上的改善方案：

為了避免因?yàn)槟K之間主、仆的角色互換動(dòng)作太過(guò) 于頻繁所產(chǎn)生的低頻振蕩，可以在每一個(gè)電源 模塊的均流誤差放大器的反相輸入端加入一直 流準(zhǔn)位(Ioffset)、這樣的話，仆模塊的電流必須 要大于主模塊的加上一個(gè)直流準(zhǔn)位(IO_SLAVE ＞IO_MASTER+ Ioffset)，主仆的角色才會(huì)更 換，如此一來(lái)低頻振蕩的問(wèn)題就可以獲得改善。

六、現(xiàn)行生產(chǎn)的均流線路分析：

A、采用LM2902線路解析：

（一）、線路解析：

（1）、信號(hào)采樣線路
（2）、CS-BUS信號(hào)的采樣線路
（2）、CS-BUS信號(hào)補(bǔ)償線路
（4）、環(huán)路調(diào)整電壓線路：

（二）、采樣線路及均流母線調(diào)試分析：

（1）、線路圖

（2）、采樣線路電壓不穩(wěn)的原因

A、運(yùn)放地和運(yùn)放自身漏電大小不一造成
B、放大倍數(shù)過(guò)大引起

（3）、解決方案：

利用外圍線路對(duì)Va點(diǎn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償

補(bǔ)償方式：

A、在負(fù)載為零時(shí)確定Va的最小電壓
B、在最大負(fù)載時(shí)確定Va的最大電壓

（三）、采樣線路及均流母線調(diào)試分析：

（1）、線路圖

（2）、RB11的應(yīng)用
通過(guò)RB11對(duì)PIN6的補(bǔ)償，使得Va>Vb, Vb =Vc, Va>Vc，單機(jī)狀態(tài)下均流電路不誤動(dòng)作

（3）、RB31的選擇
RB31決定均流電路完全動(dòng)作時(shí)機(jī)臺(tái)最大調(diào)節(jié)電壓

（四）、線路調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題及改進(jìn)：

1、取樣線路元件內(nèi)部差異引起均流效果誤差大：

（1）引入補(bǔ)償
（2）采樣高精度的采樣元件

2、引入負(fù)電平補(bǔ)償后引起快速AC ON\OFF時(shí)CS-BUS干擾問(wèn)題

通過(guò)及時(shí)清除單機(jī)均流母線電壓及通過(guò)PG信號(hào)啟動(dòng)單機(jī)均流線路的方式，達(dá)成改善均流母線在ACON\OFF產(chǎn)生干擾問(wèn)題。

采用TI 的UC3902或ST 的L6615均流控制器方案：

UC3902線路解析：

（1）、信號(hào)采樣線路(A)電流互感器方式（B）Sense電阻
（2）、CS-BUS信號(hào)的采樣線路：
（3）、CS-BUS信號(hào)補(bǔ)償線路：
（4）、反饋環(huán)路調(diào)整線路：

冗余電源設(shè)計(jì)的幾個(gè)注意事項(xiàng)

一、可調(diào)電阻在冗余電源線路上的應(yīng)用：

A、由于可調(diào)電阻本身構(gòu)造的問(wèn)題請(qǐng)勿在單回路中使用，使用可調(diào)電阻時(shí)請(qǐng)?jiān)谄渚€路上并一電阻以提高其可靠性。

B、可調(diào)電阻不管是SMD類(lèi)還是DIP類(lèi)請(qǐng)勿過(guò)錫爐，防止高溫變形和松香干擾。

C、可調(diào)電阻在線路中調(diào)試OK后請(qǐng)勿記點(diǎn)膠固定，防止運(yùn)輸抖動(dòng)干擾。

二、連接器設(shè)計(jì)在冗余電源插拔時(shí)序上的應(yīng)用：

1、不良現(xiàn)象：
單機(jī)帶電快速插拔瞬間，偶爾出現(xiàn)其他運(yùn)行機(jī)臺(tái)停機(jī)現(xiàn)象

2、原因分析：
機(jī)臺(tái)插拔瞬間，所插拔機(jī)臺(tái)的信號(hào)線瞬間斷開(kāi)，環(huán)路反饋開(kāi)路引起插拔機(jī)臺(tái)輸出電平異常，從而干擾其他運(yùn)行機(jī)臺(tái)。

3、時(shí)序改善狀況：

接觸時(shí)序：電源地----信號(hào)連接點(diǎn)-----輸出電平點(diǎn)-----PS-ON點(diǎn)
脫離時(shí)序：PS-ON點(diǎn)----輸出電平點(diǎn)-----信號(hào)連接點(diǎn)------電源地
通過(guò)以上改善后就可以做到：接觸OK后開(kāi)機(jī)；關(guān)機(jī)后再脫離。

三、冗余電源報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（蜂鳴器及LED燈線路）：

1、冗余電源報(bào)警要求：
電源在工作運(yùn)行中，當(dāng)單機(jī)或整機(jī)出現(xiàn)任何不良信息時(shí)，電源要作出故障報(bào)警動(dòng)作，包括聲音和顯示。

2、冗余電源報(bào)警線路：

四、冗余電源防靜電設(shè)計(jì)：

1、冗余電源防靜電設(shè)計(jì)的重要性：
由于冗余電源工作時(shí)在多機(jī)情況下工作，在機(jī)臺(tái)連接中就不免會(huì)出現(xiàn)連接器，連接器上的信號(hào)線（如報(bào)警信號(hào)線、保護(hù)反饋線、PG線，數(shù)據(jù)通順線等）會(huì)常常暴露在外面，這些信號(hào)線一般都是通過(guò)連接器跟其他機(jī)臺(tái)聯(lián)系在一起才形成一個(gè)回路，當(dāng)單機(jī)拔出后就可能形成一種開(kāi)路狀態(tài)，在這種情況下很容易受到靜電的傷害。

2、設(shè)計(jì)建議：
（1）、冗余電源線路設(shè)計(jì)時(shí)所有連接信號(hào)線請(qǐng)不要出現(xiàn)環(huán)路開(kāi)路狀態(tài)，如不能加電阻請(qǐng)加穩(wěn)壓管替代（如PG信號(hào)線路加一穩(wěn)壓管到地）。
（2）、在設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)要對(duì)連接器上所有連接臨近端點(diǎn)進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)。

五、冗余電源風(fēng)扇控制及報(bào)警線路設(shè)計(jì)：

（1）三線風(fēng)機(jī)其風(fēng)扇速度靠三極管去控制電壓來(lái)完成，功率損耗大，控制元件發(fā)熱量高
（2）四線風(fēng)機(jī)其風(fēng)扇速度靠外部電平高低進(jìn)行控制，容易控制轉(zhuǎn)速，控制元件少，功耗小。

六、冗余電源可調(diào)電壓的選擇：

為何產(chǎn)線在生產(chǎn)時(shí)要精調(diào)電壓（如12V要精確調(diào)到0.1V以內(nèi)）

七、冗余電源單\多路平均流線路設(shè)計(jì)的優(yōu)\缺點(diǎn)：

冗余服務(wù)器的模塊化設(shè)計(jì)

一、接功率大小定電源主架構(gòu)：

二、均流線路的模塊儲(chǔ)備：

冗余電源的應(yīng)用前景

1、架構(gòu)及工作方式：

2、難點(diǎn)分析：

由于主板上有較多的固態(tài)電容，在其中的單主板開(kāi)啟瞬間，其瞬態(tài)阻抗很小，瞬間電源承受負(fù)載電流很大，但正常運(yùn)行中的電源瞬態(tài)反應(yīng)跟不過(guò)來(lái)引起輸出電壓快速下降，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)全部停機(jī)。

3、嘗試解決方案：

A、前面冗余電源模塊輸出電壓比主板需求最高電壓還高，后段采用DC TO DC方式來(lái)完成給主板供電。
B、通過(guò)IC創(chuàng)建一個(gè)軟啟動(dòng)線路。

該線路通過(guò)CPO懸空使芯片不能快速通斷MOSFET，依靠欠壓檢測(cè)使GATE引腳在上電后延遲開(kāi)通MOSFET，由R1、C組成的阻容網(wǎng)絡(luò)使電源輸出的電壓上升速度減慢，從而達(dá)到產(chǎn)生軟啟動(dòng)的效果。

二、冗余電源在大LED屏顯示和大型LCD屏上的應(yīng)用：

1、優(yōu)點(diǎn)：
（1）、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)
（2）、方便客戶進(jìn)行維護(hù)

2、難點(diǎn)分析：
（1）、電源需要承受更大動(dòng)態(tài)的電流相應(yīng)速度
（2）、整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部布線更為復(fù)雜
（3）、露天需要更可靠的防水設(shè)計(jì)