幾種實用的低電壓冗余電源方案設計

引 言
對于一些需要長時間不間斷操作、高可靠的系統，如基站通信設備、監控設備、服務器等，往往需要高可靠的電源供應。冗余電源設計是其中的關鍵部分，在高可用系統中起著重要作用。冗余電源一般配置2個以上電源。當1個電源出現故障時，其他電源可以立刻投入，不中斷設備的正常運行。這類似于UPS電源的工作原理：當市電斷電時由電池頂替供電。冗余電源的區別主要是由不同的電源供電。
電源冗余有交流220 V及各種直流電壓的應用，本文主要介紹低壓直流(如DC 5 V、DC 12 V等)的冗余電源方案設計。

1 冗余電源介紹
電源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷備份、并聯均流的N+1備份、冗余熱備份等方式。容量冗余是指電源的最大負載能力大于實際負載，這對提高可靠性意義不大。
冗余冷備份是指電源由多個功能相同的模塊組成，正常時由其中一個供電，當其故障時，備份模塊立刻啟動投入工作。這種方式的缺點是電源切換存在時間間隔，容易造成電壓豁口。
并聯均流的N+1備份方式是指電源由多個相同單元組成，各單元通過或門二極管并聯在一起，由各單元同時向設備供電。這種方案在1個電源故障時不會影響負載供電，但負載端短路時容易波及所有單元。冗余熱備份是指電源由多個單元組成，并且同時工作，但只由其中一個向設備供電，其他空載。主電源故障時備份電源可以立即投入，輸出電壓波動很小。本文主要介紹后兩種方案的設計。

2 傳統冗余電源方案
傳統的冗余電源設計方案是由2個或多個電源通過分別連接二極管陽極，以“或門”的方式并聯輸出至電源總線上。如圖1所示。可以讓1個電源單獨工作，也可以讓多個電源同時工作。當其中1個電源出現故障時，由于二極管的單向導通特性，不會影響電源總線的輸出。

在實際的冗余電源系統中，一般電流都比較大，可達幾十A。考慮到二極管本身的功耗，一般選用壓降較低、電流較大的肖特基二極管，比如SR1620～SR1660(額定電流16 A)。通常這些二極管上還需要安裝散熱片，以利于散熱。

3 傳統方案與替代方案的比較
使用二極管的傳統方案電路簡單，但有其固有的缺點：功耗大、發熱嚴重、需加裝散熱片、占用體積大。由于電路中通常為大電流，二極管大部分時間處于前向導通模式，它的壓降所引起的功耗不容忽視。最小壓降的肖特基二極管也有0．45 V，在大電流時，例如12 A，就有5 W的功耗，因此要特別處理散熱問題。
現在新的冗余電源方案是采用大功率的MOSFET管來代替傳統電路中的二極管。MOSFET的導通內阻可以到幾mΩ，大大降低了壓降損耗。在大功率應用中，不僅實現了效率更高的解決方案，而且由于無需散熱器，所以節省了大量的電路板面積，也減少了設備的散熱源。應用電路中MOSFET需要有專業芯片的控制。目前，TI、Linear等各大公司都推出了一些成熟的該類芯片。

4 新方案中MOSFET的特殊應用
MOSFET在新的冗余電源方案中是關鍵器件。由于與常規電路中的應用不同，很多人對MOSFET的認識都存在一定誤區。為了方便后續電路的介紹，下面對其特殊之處作以說明。
首先，MOSFET符號中的箭頭并不代表實際電流流動方向。在三極管應用中，電流方向與元件符號的箭頭方向相同，因此很多人以為MOSFET也是如此。其實MOSFET與三極管不同，它的箭頭方向只是表示從P極板指向N極板，與電流方向無關，如圖2所示。

其次，應注意MOSFET中二極管的存在。如圖2所示，N溝道MOSFET中源極S接二極管的陽極，P溝道MOS-FET中漏極D接二極管的陽極。因此，在大多數把MOSFET當作開關使用的電路中，對于N溝道MOSFET，電流是從漏極流向源極，柵極G接高電壓導通；對于P溝道MOSFET，電流是從源極流向漏極，柵極G接低電壓導通，否則由于二極管的存在，柵極的控制就不能關斷電流通路。