工程师该如何选择电源？

由于电子产品的风靡，能够用多种电源供电的设备已经屡见不鲜了。例如，工业手持式仪表或便携式医疗诊断设备大部分时间用电池供电，但一旦插入交流适配器或USB端口，就从交流适配器或USB端口吸取功率了，这时既为电池充电，又为系统供电。在移动系统的另一端，大型高可用性服务器机架内至少有两个电源，以在任何一个电源出故障时，保持服务器正常运行。存储服务器则用超级电容器做备份电源，以在主电源断开时，干净利落地实现无差错停机，当然，也有些服务器采用大电流主电源和小电流辅助电源。所有这些系统都面临着一项重要任务，即在各种不同的可用电源中，选择一个为系统负载供电。

电源多路复用中隐藏的问题

在给定环境中选择合适电源这一任务，听起来简单轻松，但是如果选择不当，后果很严重，可能造成系统故障并损坏电源。如果加在电源输出端的电压较高，那么在并联工作的电源之间进行切换可能导致电流回流到电源中。有些电源如果遭遇能量返回，就会出现故障，使控制环路中断，引起电源输入端子过压，这有可能导致电容器及其他器件烧掉。并联电源切换时还存在一个风险，即所有电源与输出之间的断接时间都可能过长，导致输出电压下降，系统复位或系统运行不正常。当电源之间的电压比较接近时，会出现第三个问题。有些基于比较器的控制方法引入了一种振荡模式，即在电源之间连续切换，这样一来，电源之间的切换就需要周密设计了。

相同的电源

让我们从最简单的情况开始—由两个相同的电源给一个系统供电。这里相同的含义是，相同的标称电压，其变化在电源容限范围内通常为百分之几。这种情况出现在高可用性服务器中，这类服务器配备两个或更多冗余电源，以在任何电源出现故障时，能够不间断运行。在这类系统中，一种简单的方法是，选择电压最高的电源给系统供电。两个二极管的阳极分别连接两个电源，阴极则连在一起，形成所谓的二极管"或"电路，这样就实现了由电压较高的电源供电的功能（参见图1）。仅连入一个电源时，这个电路也正常工作。存在两个电源时，电压较高的那个电源，其二极管正向偏置，另一个二极管则反向偏置。


图1：两个电源的二极管"或"电路向负载供电。

新式服务器中有多个板卡，功率轻易就能超过千瓦，因此12V直流电源须提供50A～100A的电流。运用普通的老式二极管，即使是压差较低的肖特基二极管，对这样两个12V电源进行二极管"或"，如果不是不可能，也要面临可怕的热量管理任务，因为在这么大电流时，两个二极管的电压下降1V，就会消耗很大的功率，例如，在50A电流时，功耗为50W.因此需要压差低得多的理想二极管。正像解决其他许多电路问题时一样，MOSFET再次伸出了援手。MOSFET加上一个检测电路，可起到理想二极管的作用，正向偏置时（输入高于输出），接通压差非常低，反向偏置时（输入低于输出）则断开。理想二极管压差可降至普通二极管的1/10，因此功耗降至可应对的5W.通过RDS（ON）为2m的单个或并联N沟道MOSFET，很容易实现这样的理想二极管"或"电路。图2显示了一个这样的电路及其I-V曲线。凌力尔特的LTC4352控制一个N沟道MOSFET，以实现理想二极管功能。这样的两个电路并联，就形成了一个理想二极管"或"电路，可用于冗余电源系统。按照一定比例线性跟随MOSFET的压降，可确保电源不产生振荡，平滑切换，而0.5μs的快速接通和断开时间，则最大限度地减小了输出压降和反向电流。


图2：具UV/OV的LTC4352理想二极管及其I-V曲线。

理想二极管的功能是无源二极管望尘莫及的。仅当输入处于欠压（UV）和过压（OV）门限设定的有效范围之内时，LTC4352才能成为理想二极管。STATUS#引脚向下游电路提供MOSFET接通或断开的状态信号，FAULT#引脚指示MOSFET是由于UV/OV状况而关断，还是由于MOSFET呈电阻性或开路而导致过大压降，后者在故障发生之前发出了即将出现故障的警报。

让我们共享负载吧

二极管"或"是一种"赢家通吃"型系统，在这种系统中，电压最高的电源提供全部负载电流。如果两个电源均等地向负载供电，将热量压力一分为二共同承担，那么电源系统的可靠性会大幅提高，电源的寿命也可得到延长。然而，许多调节电源的负载共享电路受到了环路振荡的困扰。与电源变化互动的负载共享控制环路使问题变得复杂了。在这里利用理想二极管概念可以解决问题。通过调节理想二极管压降，补偿电源电压之差，可以使两个理想二极管的输出电压相等。在这两个相等的点和共享负载之间加入检测电阻器，可确保两个电源流出的电流相等或成一定比例。LTC4370二极管"或"均流控制器采用了这种针对两个电源的均流方法（参见图3）。这种方法可补偿高达600mV的电源电压之差，这意味着两个12V电源具有±2.5%的容限，或两个5V电源具有±6%的容限。


图3：LTC4370在两个二极管"或"连接的12V电源之间均衡10A负载电流。通过调节MOSFET压降来补偿电源电压失配，以实现均流。

不同的电源

在上述的服务器例子中，两个电源相同时，二极管"或"和负载共享方法非常适用。但是这些方法不适合电池供电系统，在这类系统中，输入来自电池、交流适配器或5V USB电源，也就是说，这些电源的标称电压差异甚大。在有些情况下，还会涉及超级电容器备份电源。因此，需要一种更加通用的解决方案，而不是简单地通过衡量电源电压高低来工作。这种解决方案称为优先级供电处理器。该解决方案的基础是，电池供电系统的电源有一个优先顺序。通常情况下，交流适配器排在最前面，只要存在交流适配器，系统就从交流适配器吸取功率。每一种电源都必须有一个确定的有效电压范围（以检测该电源的存在）和优先级。如果某种电源存在，就会按照它的优先级考虑是否用它给系统供电。LTC4417优先级选择器根据3个电源的有效电压窗口和优先级作出选择，仅将其中之一连接到输出（参见图4）。小心切换以免将两个电源连到一起，仅在输出电压低于输入电压时才将电源连接到输出。这最大限度地减小或消除了流回电源的反向电流。另外，这么做还实现了受控的快速切换，以限制输出电压下降和浪涌电流。


图4：LTC4417 3电源优先级供电处理器。

结论

视系统中采用的电源种类的不同而不同，首先需要为电源多路复用选择合适的解决方案。可选择的方案是二极管"或"（有或没有负载共享）和优先级供电处理器。不论选择哪种方法，选择正确的电源给负载供电都需要仔细设计，以避免毁掉整个系统。流回到电源的反向电流和输出电压下降要尽量减小，以避免引起电源之间来回振荡性地切换。本文介绍的这些解决方案以简练的方法解决了这些问题。