低功耗故障隔離電路的研究與設(shè)計(jì)

嚴(yán)會(huì)會(huì) 趙振宇 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

1 引言

在機(jī)載計(jì)算機(jī)電源余度供電時(shí)，為了隔離參與余度供電單元的故障，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是采用大電流二極管進(jìn)行隔離。在早期的隔離技術(shù)中，通常采用普通的功率二極管隔離，其導(dǎo)通壓降通常在1.2V 左右。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，肖特基二極管的壓降明顯降低，大約在0.7V左右。對(duì)于幾百瓦甚至上千瓦的電源供電，其電流容量高達(dá)幾十安培，這種情況下，如果采用普通二極管進(jìn)行隔離，功耗高達(dá)幾十W，即使采用壓降較小的肖特基二極管隔離，功耗也會(huì)達(dá)到幾十W。對(duì)于如此大的功耗，首先，在采用風(fēng)冷散熱的條件下，大約需要百級(jí)cm2 以上的散熱面積。這樣，不僅增加了體積重量，而且增加了產(chǎn)品的研制成本；另外，也存在降低供電系統(tǒng)的效率，增加溫升、降低供電系統(tǒng)的可靠性的問題。

2 理論分析與實(shí)現(xiàn)方案

2.1 理論分析

機(jī)載計(jì)算機(jī)電源余度供電，分為正常與應(yīng)急供電，采用余度供電的產(chǎn)品，如不采用二極管進(jìn)行供電的隔離，當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)短路的情況下，將會(huì)導(dǎo)致電流反灌，影響到供電電源的正常工作，所以產(chǎn)品需要多路供電時(shí)，我們一般采用每一路供電線上串聯(lián)一個(gè)二極管的方式，進(jìn)行各個(gè)供電電源的有效隔離，從而達(dá)到故障的隔離，如圖1(a)所示。

由于二極管在導(dǎo)通過程中都會(huì)有一定的導(dǎo)通壓降，其導(dǎo)通壓降隨著導(dǎo)通電流的變大呈上升趨勢(shì)，如圖1(b)所示。其功率損耗如式(1)所示，其中PD 為二極管所損失功率，VF 為二極管正向?qū)▔航担琁為二極管流過的正向電流。這必然導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，而且會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。在大功率應(yīng)用系統(tǒng)中，這部分的能量損失是相當(dāng)巨大的。

PD=VF×I ……………………………………….（1）

圖1 （a）

圖1 （b）

為了解決上述問題，我們可以通過二極管控制器來控制MOS 管來取代二極管的隔離功能。MOS 管的導(dǎo)通電阻很小，最小的約為幾毫歐，可以極大的減小導(dǎo)通壓降，降低損耗。其功率損耗如式（2）所示，其中為PD 為MOS 管的功率損耗， Ron 為MOS 管的導(dǎo)通電阻，I 為MOS 管的流過的正向電流。從式（2）可見，MOS 管的導(dǎo)通電阻越小其功率損耗越小。

PD=Ron×I2………………………………………….（2）

實(shí)現(xiàn)方案

結(jié)合上述的分析，根據(jù)通過控制MOS 管來實(shí)現(xiàn)二極管隔離功能的設(shè)計(jì)思想，我們結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了一套控制電路，電路框圖如圖2所示。

隔離電路的原理是利用MOS 管的體二極管作為隔離二極管，在正常工作時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常導(dǎo)通，電流流過MOS 管的溝道電阻，將體二極管短路，此時(shí)，導(dǎo)通阻抗很小，損耗極低。當(dāng)供電電源故障時(shí)，二極管控制器檢測(cè)到電流異常，控制電路能夠以μS 級(jí)的速度迅速拉低場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓，快速關(guān)斷MOS 管，由體二極管進(jìn)行故障隔離，防止故障的進(jìn)一步蔓延。

圖2 原理框圖

3 實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

綜上所述，對(duì)正常供電與應(yīng)急供電電路進(jìn)行并聯(lián)隔離設(shè)計(jì)。由于兩個(gè)并聯(lián)電路模塊均相同，所以僅畫出其中一個(gè)并聯(lián)電路的模塊電路原理圖，如圖3 所示。故障隔離電路由有源功率場(chǎng)效應(yīng)管V1 和二極管控制器U1 及外圍電路（R1、C1、C2）組成。

圖3 低功耗故障隔離電路圖

以28V/10A 供電輸出為例，場(chǎng)效應(yīng)管選取VDS 電壓大于150V，導(dǎo)通電阻為10mΩ 的場(chǎng)效應(yīng)管，二極管控制器可選用LTC43XX 系列，根據(jù)典型的應(yīng)用電路，R1 電阻為100Ω，C1 電容的容值為0.1uF，C2 電容的容值為1uF。實(shí)際的功率損耗如公式3。

PD=Ron×I2=0.36W………………………………………….（2）

基于低溝道電阻的MOSFET 和控制電路設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易行；與傳統(tǒng)的肖特基二極管隔離方法比較，對(duì)于10A 工作電流，功耗由9W 減小到0.055W～0.11W，功耗減小98.8%。對(duì)于50A 工作電流，功耗由45W 減小到1.38W，功耗減小96.9%；對(duì)于50A 工作電流，低功耗隔離電路的溫升只有12°C 左右，無需附加體積較大的散熱器。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用與測(cè)試，該控制電路安全可靠，可實(shí)現(xiàn)故障隔離的作用。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的低功耗故障隔離電路，與傳統(tǒng)的二極管故障隔離技術(shù)相比較，解決了高功耗、高溫升關(guān)鍵問題，并且減小了體積、簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)、節(jié)約了成本。由于功耗、溫升大大降低，提高了電源故障隔離電路以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。