电源技术在电源系统的应用

1新型冗余电源

在传统的冗余电源设计中，虽然采用二极管具有电路简单的优点，但其缺点也非常明显：（1）二极管正向导通时，从电源到负载由于通过二极管以后会有一个二极管的压降；（2）在大电流的情况下功耗大，发热量大，电源整体转换效率损耗大。即使采用压降较小的肖特基二极管，根据二极管的正向特性曲线，随着电流的增大，二极管本身的正向导通压降也会随之增大。通常，肖特基二极管的正向导通压降在0.4V左右，这对于3.3V的电源而言其电压跌落将高达12%[3]。而且在大电流（例如10A）的情况下，就会产生4W的功耗，因此还需考虑散热的问题，这会增加机载设备散热的负担。新型的冗余电源方案采用“或”方式场效应晶体管（MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor）控制器来驱动大功率的MOSFET管来代替传统电路中的肖特基二极管（如图2所示）。其中，N沟道功率MOSFET导通内阻可以达到几毫欧，这样就能大大降低正向导通压降和大电流流过MOSFET所产生的功耗，减少了设备的发热量，提高了系统整体转换效率。

2MAX8536在新型冗余电源中的应用

MAX8536是MAXIM公司的一款具有快速故障隔离的冗余电源“或”方式MOSFET控制器[4]。它不仅具备基本的“或”的功能，还具有欠压、过压、电流反向保护的功能。它构成的冗余电源电路如图3所示。在MAX8536这款控制器中，当控制器的电源输入端(VCC：VoltageofCircuit)达到并超过启动门限后，芯片开始工作。同时在芯片内置一个充电泵，为GATE脚提供一个VCC+5V的电压来驱动Q1、Q2导通。在TIMER和GND之间连接一个电阻，通过改变这个电阻的大小来调节充电泵的工作频率以及外部MOSFET开关的速度，当把TIMER接地时，则能控制外部MOSFET关断。该芯片的CS脚连到输出总线的正端，通过检测外部MOSFET两端的压降（即VCC和CS两点的电压），来确定电流的方向。当VCC-CS>10mV时，则认为是电流正向；当CS-VCC>30mV时，则认为是电流反向。把VCC通过电阻网络分压，采样后作为欠压保护的输入连接到芯片的UVP端，与芯片内部的基准电压进行比较来判断是否欠压。同样，将CS的电压通过分压采样后作为过压保护的输入连接到芯片的OVP端，与内部基准电压比较，再根据电流方向判断是否过压。当芯片处于欠压、过压和电流反向的情况下，则认为有故障，FAULT则会输出低电平，并关闭外部MOSFET，快速隔离故障电源。在测试板实验中采用了两路冗余的方式，其原理如图4所示。由图4中可见，采用了2个背靠背反向连接的MOSFET电路，这样的连接方法可以避免单个MOSFET的体二极管导通对输入、输出之间的影响，因为单管的时候，关断MOSFET后，由于MOSFET自身的体二极管的存在，还是会存在导通通路，会对模块或输出总线产生影响。该电路的输入为+3.3V稳压电源。对于低电压大电流的应用场合，需要在满足条件的情况下，选取导通电阻尽可能小的MOSFET，这里选用了Vishay的SUB75N03-04，其导通电阻RDS(on)为0.004Ω左右。当电流为10A时，MOSFET的理论导通压降仅为0.04V，导通损耗仅为0.4W。与原来采用二极管的方法相比，极大地减小了原来二极管上的导通压降和损耗。根据不同的负载大小，对该电路测试板进行了测试。MOSFET上的压降可由图5看到：横轴表示输出负载电流的大小，纵轴表示电路中电流流过两个背靠背反向连接的MOSFET的压降。根据欧姆定律，在MOSFET的导通电阻几乎不变的情况下，它两端的压降和电流是成正比的。由图5可见，MOSFET的压降随着电流的增大线性增大，当输出电流达到10A时，两个MOSFET的压降为64mV。MOSFET的导通损耗如图6所示。其中，横坐标为输出电流，纵坐标为导通损耗。根据公式2P=UI=IR可知，在MOSFET导通电阻基本不变的情况下，它的导通损耗和输出电流的平方成正比。由图6可见，MOSFET的导通损耗和电流的平方成正比。当输出电流达到10A时，这两个反向连接的MOSFET导通损耗为0.64W。对于一个输出3.3V@10A、输入-输出效率为80%的电源来说，如果用二极管的冗余方案，实际输出电压需要抬高到3.7V左右以补偿二极管的导通压降，系统的总效率为71%；而采用导通电阻4mΩ的MOSFET冗余方案，几乎不需要电压补偿，总效率可以达到79%，效率损失很小，因此，即便二极管的方案电路简单、更易实现，但是在低电压、大电流的应用里，二极管较大的导通压降、功率损耗以及必须考虑的散热问题，成为该方案应用最大的弱点，采用“或”方式MOSFET控制器来驱动大功率的MOSFET管来代替传统电路中的肖特基二极管降低了约84%的导通压降和损耗，因而该方案在低电压、大电流应用场合中更具优势。

3结束语

在新型冗余电源设计中，采用了“或”方式MOSFET控制器对MOSFET进行控制，代替了原来简单的二极管方案。相比原来二极管的方案，虽然电路稍微复杂一些，但是对于冗余电源电路的优化是显而易见的。达到了减小压降，降低损耗的目的，还能起到在故障时隔离模块与输出总线的作用，并且可以有效提高电源系统转换效率，降低散热设计负担，在低电压、大电流的机载二次电源系统应用中是更好的解决方案。

作者：王斌 杨郑浩 邰永红 单位：中国航空无线电电子研究所