工程師該如何選擇電源？

由于電子產(chǎn)品的風(fēng)靡，能夠用多種電源供電的設(shè)備已經(jīng)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(shè)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(wù)器機架內(nèi)至少有兩個電源，以在任何一個電源出故障時，保持服務(wù)器正常運行。存儲服務(wù)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(dāng)然，也有些服務(wù)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(wù)，即在各種不同的可用電源中，選擇一個為系統(tǒng)負(fù)載供電。

電源多路復(fù)用中隱藏的問題

在給定環(huán)境中選擇合適電源這一任務(wù)，聽起來簡單輕松，但是如果選擇不當(dāng)，后果很嚴(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)險，即所有電源與輸出之間的斷接時間都可能過長，導(dǎo)致輸出電壓下降，系統(tǒng)復(fù)位或系統(tǒng)運行不正常。當(dāng)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(shè)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(biāo)稱電壓，其變化在電源容限范圍內(nèi)通常為百分之幾。這種情況出現(xiàn)在高可用性服務(wù)器中，這類服務(wù)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(fù)載供電。

新式服務(wù)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(wù)，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(yīng)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(chǎn)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(dāng)輸入處于欠壓（UV）和過壓（OV）門限設(shè)定的有效范圍之內(nèi)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(guān)斷，還是由于MOSFET呈電阻性或開路而導(dǎo)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。