你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

工程師選擇電源之道

發(fā)布時間:2014-05-05 責(zé)任編輯:xiongjianhua

【導(dǎo)讀】 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,而電源在應(yīng)用中隱藏了一些問題,這些是無法改變的,但在選擇的時候可以多多的比較他們的特性,再選出最適合的電源。下面看看工程師是怎樣選擇電源的吧。

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。
 
兩個電源的二極管“或”電路向負(fù)載供電
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。
 
具UV/OV的LTC4352理想二極管及其I-V曲線
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。
 
共享負(fù)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(fù)載電流。如果兩個電源均等地向負(fù)載供電,將熱量壓力一分為二共同承擔(dān),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(diào)節(jié)電源的負(fù)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(fù)載共享控制環(huán)路使問題變得復(fù)雜了。在這里利用理想二極管概念可以解決問題。通過調(diào)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(fù)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。
 
LTC4370在兩個二極管“或”連接的12V電源之間均衡10A負(fù)載電流。通過調(diào)節(jié)MOSFET壓降來補償電源電壓失配,以實現(xiàn)均流
圖3:LTC4370在兩個二極管“或”連接的12V電源之間均衡10A負(fù)載電流。通過調(diào)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(wù)器例子中,兩個電源相同時,二極管“或”和負(fù)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(biāo)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(chǔ)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。
 
LTC4417 3電源優(yōu)先級供電處理器
圖4:LTC4417 3電源優(yōu)先級供電處理器。
 
結(jié)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(fù)用選擇合適的解決方案。可選擇的方案是二極管“或”(有或沒有負(fù)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(fù)載供電都需要仔細設(shè)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。
 
 
要采購適配器么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉