面向高可靠系統(tǒng)的冗余電源設(shè)計

揚(yáng)州萬方電子技術(shù)有限責(zé)任公司 金以琴

傳統(tǒng)電源不具備冗余功能，在為某些高功率、高可靠性的系統(tǒng)供電時經(jīng)常出現(xiàn)單點(diǎn)故障。為此，基于TI公司集成熱插拔和“或”控制器TPS24742設(shè)計一款冗余電源。本文首先介紹該冗余電源的供電結(jié)構(gòu)，熱插拔和“或”控制器TPS24742的主要特性，最后結(jié)合一應(yīng)用實例分析在設(shè)計過程中的設(shè)計考慮和部分器件的選型。經(jīng)過可靠性測試和實地測試該電源能夠，滿足可靠性、小型化、快速維修的需求，為高可靠系統(tǒng)提供不間斷供電，可為其它類似系統(tǒng)提供設(shè)計參考。

對于一些需要長時間工作甚至零停機(jī)要求的高可靠系統(tǒng)，如基站通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、服務(wù)器等，一個高可靠的電源供應(yīng)系統(tǒng)必不可少，無冗余電源結(jié)構(gòu)的電源經(jīng)常出現(xiàn)單點(diǎn)故障，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰，為此采用冗余電源結(jié)構(gòu)可以消除供電的單點(diǎn)故障，提高系統(tǒng)供電的可靠性。

冗余電源結(jié)構(gòu)即多個電源并聯(lián)供電，同時承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷。其具備兩個特點(diǎn)，一是負(fù)載可伸縮，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)中某個電源出現(xiàn)故障時，剩余的電源會平均承擔(dān)多出來的負(fù)載，不中斷系統(tǒng)的正常運(yùn)行；其二是，不停機(jī)維護(hù)。冗余結(jié)構(gòu)的電源還具備熱插拔功能，熱插拔技術(shù)可實現(xiàn)電源連續(xù)運(yùn)行和不停機(jī)維護(hù)，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。“熱拔插”即帶電插拔，是指系統(tǒng)在上電工作的情況下，將其內(nèi)部板卡插入或拔出而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的可靠性、快速維修性、冗余性和對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力等。

為替換升級傳統(tǒng)電路使用二極管進(jìn)行冗余電源的設(shè)計，進(jìn)一步小型化、集成化進(jìn)行冗余電源的改進(jìn)設(shè)計，基于TI公司集成熱插拔和“或”控制器TPS24742設(shè)計一款冗余電源。基于TPS24742面向高可靠系統(tǒng)的冗余電源采用大功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)來替代傳統(tǒng)電路的二極管，MOSFET導(dǎo)通電阻極低，大大降低了壓降損耗，無需增加額外散熱器，節(jié)約了電路板面積，提高了效率，該冗余電源保護(hù)功能完善，可以靈活設(shè)置限制電流、功率參數(shù)以及快速響應(yīng)等參數(shù)，實現(xiàn)安全的熱插拔和快速隔離故障功能，滿足服務(wù)器等高可靠系統(tǒng)的不間斷供電、快速維護(hù)等需求。本文首先介紹該冗余電源的供電結(jié)構(gòu)，熱插拔和“或”控制器TPS24742的主要特性，最后結(jié)合一應(yīng)用實例分析在設(shè)計過程中的設(shè)計考慮和部分器件的選型。

1 冗余電源的供電結(jié)構(gòu)

冗余電源供電框圖如圖1所示，由n個電源構(gòu)成的冗余結(jié)構(gòu)中，電源輸入、系統(tǒng)負(fù)載及均流信號為每個電源公共電氣通路，它們共用總線，即輸入總線、負(fù)載總線及均流總線。輸入總線連接系統(tǒng)外部的交流或直流輸入并分配到每個電源的輸入；負(fù)載總線用于連接每個電源的輸出到系統(tǒng)負(fù)載，通常先給背板再分配給其它板卡供電；均流總線連接每個電源的均流信號，確保每個并聯(lián)工作的電源輸出電流均衡分配。每個電源具有相同的結(jié)構(gòu)和功能，具有電壓變換器、熱插拔控制器及“或”控制器，在系統(tǒng)中可以互換。

圖1 冗余電源供電框圖

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，當(dāng)某個電源故障時，“或”控制器會控制斷開故障電源，使故障電源自動從電路中隔離出去，實現(xiàn)對故障電源與負(fù)載總線的隔離，不會影響其它電源的運(yùn)行，剩余的電源會自動平均承擔(dān)多出來的電源負(fù)載，此時故障電源會有故障提示，以提醒用戶更換故障電源。用戶發(fā)現(xiàn)電源故障后，可以帶電拔出故障電源并插入替換電源，熱插拔控制器會控制在插拔電源時的沖擊電流，將電源母線上的瞬時電流控制在比較低的安全水平,防止造成負(fù)載總線的電壓下跌，引發(fā)背板上其它板卡工作狀態(tài)異常。

2 應(yīng)用電路設(shè)計

TPS24742是一款針對2.5V至18V系統(tǒng)的集成“或”和熱插拔控制器，它精確且具有可編程保護(hù)設(shè)置，對設(shè)計故障隔離要求較高的高功率、高可用性系統(tǒng)很有幫助。利用TPS24742設(shè)計一款冗余電源的框圖如圖2所示，“或”（OR）和熱插拔（Hotswap）功能可以獨(dú)立設(shè)置，允許“或”和熱插拔控制器互換。用戶可利用熱插拔控制器對啟動電流及功率限制，以及正常工作期間的限流、短路保護(hù)等，實現(xiàn)安全的熱插拔；可利用“或”功能來編程反向電壓閾值和響應(yīng)時間，以安全隔離故障，簡化冗余電源系統(tǒng)的設(shè)計。

圖2 利用TPS24742設(shè)計冗余電源的框圖

2.1 TPS24742主要特性簡介

TPS24742具有可編程電流限制、快速關(guān)斷和故障定時器功能，可在熱短路等故障期間保護(hù)負(fù)載和電源；可調(diào)整快速關(guān)斷閾值和響應(yīng)時間，以確保快速響應(yīng)故障，同時避免誤跳變；具有可編程的SOA（安全工作區(qū)域）保護(hù)和浪涌定時器，可在所有工作條件下對MOSFET加以保護(hù)；電源正常狀態(tài)標(biāo)志置為有效后，會在過流事件期間運(yùn)行故障定時器，但不會限制電流，當(dāng)故障定時器到期后，控制器會關(guān)斷；具有兩個獨(dú)立定時器（浪涌/故障），用戶可根據(jù)系統(tǒng)需求定制保護(hù)功能。

●使能和過壓保護(hù)

熱插拔和“或”控制器可以分別通過ENHS和ENOR腳獨(dú)立設(shè)置使能控制，超過1.35V使能，低于1.3V禁用，回差50mV。OV腳為過壓檢測腳，超過1.35V表示過壓，此時熱插拔和“或”控制器將關(guān)閉。

●啟動期間的電流及功率限制

電流及功率限制可編程，以保護(hù)負(fù)載、電源及熱插拔FET管，功率限制通過PLIM腳設(shè)置，電流限制通過SET腳設(shè)置。在啟動期間，主動控制環(huán)路調(diào)節(jié)柵極，以確保通過FET管的電流和功率低于各自的預(yù)編程閾值。

●正常工作期間的兩級保護(hù)

TPS24742正常啟動后，將不再主動控制熱插拔FET管。當(dāng)電流在電流限制和快速跳變閾值之間時，它將運(yùn)行定時器，一旦定時器到期，柵極將被拉低，如果電流超過快速跳變閾值，柵極將立即被拉低。

●雙定時器（TFLT和TINR）

有兩個定時器引腳，允許用戶自定義保護(hù)。當(dāng)器件處于啟動模式時，浪涌定時器（TINR）管腳源電流為10.25μA，并主動調(diào)節(jié)柵極以限制FET管功率或電流，否則它會降到2μA。當(dāng)器件正常工作且FET電流超過電流限制時，限流定時器（TFLT）管腳源電流為10.25μA，否則它會降到2μA。如果任一定時器引腳超過1.35V，將停止工作并鎖定關(guān)閉。

●快速跳變響應(yīng)

快速跳變閾值通過FSTP腳設(shè)置，當(dāng)電流超過快速跳變閾值時，柵極會迅速向下拉，以將短路造成的損壞降至最低。TPS24742具有快速響應(yīng)短路事件，立即閂鎖關(guān)閉，不再重試，對FET施加的應(yīng)力最小。

●可編程反向電壓檢測

當(dāng)電源出現(xiàn)輸出倒灌現(xiàn)象，RVSNP高于RVSNM時，內(nèi)部比較器檢測到反向電流現(xiàn)象，這是一個用于關(guān)閉“或”FET管的信號，以便隔離故障。

●模擬電流監(jiān)測

具有兩個模擬電流器監(jiān)測輸出：IMON和IMONBUF，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，IMON更精確，因為它沒有從第二級添加誤差，然而它是一個高阻抗輸出并且漏電流的極點(diǎn)上會導(dǎo)致檢測誤差，此外它只能支持30pF的電容，其滿幅值是675mV。IMONBUF接收IMON信號并將其緩沖3x，這會引入更多誤差，但輸出阻抗低，量程范圍大，可驅(qū)動高達(dá)100pF的電容。

2.2 設(shè)計參考電路

TPS24742通過外接N溝道功率場效應(yīng)管HS FET和BS FET、測量電流的檢測電阻RSNS和少數(shù)外圍器件，即可實現(xiàn)電源與帶電背板間的安全熱插拔，其中HS FET為熱插拔控制開關(guān)，BS FET為“或”理想二極管，下面結(jié)合一應(yīng)用實例進(jìn)行分析。

【實例】設(shè)計一款12V/40A輸出的冗余電源，具有過壓保護(hù)，過流保護(hù)，浪涌保護(hù)，短路保護(hù)，電源好信號標(biāo)志；輸入電壓（VIN）：11～13V；最大直流負(fù)載電流（ILOAD）：40A；熱插拔最大輸出電容（COUT）：10000μF；最高環(huán)境溫度（TA,MAX）：55℃；FET殼到環(huán)境的熱阻RθCA：30℃/W；瞬時負(fù)載要求（IFSTP）：60A/200ms。具體熱插拔和“或”控制器部分設(shè)計參考電路如圖3所示。

圖3 利用TPS24742實現(xiàn)冗余電源的設(shè)計參考電路

●HS FET和BS FET管選擇：熱插拔FET的選型至關(guān)重要，本設(shè)計中選擇CSD16415是因為它的低RDSON和優(yōu)越的SOA，低RDSON以維持結(jié)和外殼溫度低于FET的最大額定值，優(yōu)越的SOA以處理啟動、熱插及短路等沖擊事件。CSD16415參數(shù)：VDS漏源極電壓25V；VGS柵源極電壓+16/-12V；RDSON漏源導(dǎo)通電阻0.99mΩ（VGS=10V）；ID持續(xù)漏極電流100A（TC=25℃）；IDM脈沖漏極電流200A（TA=25℃）；PD耗散功率3.2W；TJ運(yùn)行結(jié)溫-55℃～150℃；RθJC殼到結(jié)溫的熱阻1.1℃/W；RθJA環(huán)境到結(jié)溫的熱阻50℃/W。最大穩(wěn)態(tài)殼溫TC,MAX計算過程：TC,MAX=TA,MAX+RθCA××RDSON(TJ)=55℃+30℃/W×(40A)2×(1.4×1mΩ)=122.2℃

MAX(150℃)。

●電流檢測電阻RSNS選擇：限流檢測電壓VSNS,CL設(shè)計門限選擇25mV，ILIM,CL設(shè)計選擇45A為限流值，RSNS計算過程：RSNS=VSNS,CL/ILIM,CL=25mV/45A=0.55mΩ，實際選取0.5mΩ，因此實際VSNS,CL=0.5mΩ×45A=22.5mV。

●熱插拔限流設(shè)置電阻RSET選擇：在限流期間，通過SET和IMON腳電流目標(biāo)值設(shè)計250μA，RSET,CL計算過程：RSET,CL=VSNS,CL/250μA=22.5mV/250μA=90Ω，實際選取90.9Ω。

●負(fù)載限流設(shè)置電阻RIMON選擇：IMON模擬電流器其滿幅值是675mV，RIMON計算過程：RIMON=RSET×675mV/VSNS,CL=90.9Ω×675mV/22.5mV=2.727KΩ，實際選取2.74KΩ，因此實際ILIM,CL=VSNS,CL/RSNS=0.675V×RSET/（RIMON×RSNS）=0.675V×90.9Ω/（2.74KΩ×0.5mΩ）=44.8A。

●熱插拔快速跳變限流設(shè)置電阻RFSTP選擇：快速跳變限流值設(shè)計為65A，通過FSTP腳為100μA的恒流源，RFSTP計算過程：RFSTP=IFSTP×RSNS/100μA=65A×0.5mΩ/100μA=325Ω，實際選取324Ω。

●熱插拔快速跳變限流設(shè)置電容CFSTP選擇：濾波時間常數(shù)設(shè)計為500ns，CFSTP計算過程：CFSTP=tFSTP/RFSTP=500ns/324Ω=1.54nF，實際選取1.5nF。

●熱插拔限流定時器電容CFLT選擇：TFLT,CL熱插拔限流響應(yīng)時間設(shè)計選擇250ms，CFLT計算過程：CFLT=7.59μF×TFLT,CL=7.59μF×250 ms=1898nF，實際選取2.2μF，因此實際TFLT=CFLT/7.59μF=290ms。

●熱插拔浪涌定時器電容CINR選擇：TINR,CL熱插拔浪涌響應(yīng)時間設(shè)計選擇32.6ms，CINR計算過程：CINR=7.59μF×TINR,CL=7.59μF×32.6 ms=247nF，實際選取330nF，因此實際TINR=CINR/7.59μF=43.5ms。

●熱插拔功率限制電阻RPLIM選擇：功率限制PLIM,MIN=VIN,MAX/RSNS×MIN（VSNS,MIN，VIMON,MIN×RSET/RIMON）=13V/0.5mΩ×MIN（1.5mV，27mV×90.9Ω/2.74KΩ）=39W，RPLIM計算過程：RPLIM=84375×RSET/（RSNS×RIMON×PLIM）=84375×90.9Ω/（0.5mΩ×2.74KΩ×39W）=143.5KΩ，實際選取143KΩ。

結(jié)語：該面向高可靠系統(tǒng)的冗余電源已經(jīng)成功研制并在多項航空航天裝備內(nèi)使用，經(jīng)過可靠性測試、實地測試均能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，大大發(fā)揮了各項裝備的效能。該熱插板與“或”控制器TPS24742為核心構(gòu)成一款冗余電源的設(shè)計方案，保護(hù)功能完善，設(shè)計和制造簡單，性能可靠，特別適用于高功率、不間斷供電應(yīng)用場合。下一步將TPS24742應(yīng)用于電池作后備電源供電、有主輔電源供電以及帶多個負(fù)載和電源供電的系統(tǒng)中，進(jìn)一步增強(qiáng)冗余電源的覆蓋面。