失敗不是一種選擇。對(duì)于當(dāng)今永遠(yuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的電氣基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)師來說，這可能是座右銘——想想電信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和電網(wǎng)。問題在于，這種基礎(chǔ)設(shè)施的磚塊，從不起眼的電容器到聰明的刀片服務(wù)器，壽命有限，通常在墨菲最關(guān)鍵的時(shí)刻結(jié)束。死亡率問題的常用解決方法是冗余，即在關(guān)鍵組件發(fā)生故障時(shí)隨時(shí)可以接管的備份系統(tǒng)。

例如，高可用性計(jì)算機(jī)服務(wù)器通常附帶兩個(gè)類似的直流電源，為每個(gè)單獨(dú)的電路板供電。每個(gè)電源能夠自行承擔(dān)整個(gè)負(fù)載，兩個(gè)電源二極管通過功率二極管或連接在一起，以形成單個(gè) 1 + 1 冗余電源。也就是說，較高電壓的電源向負(fù)載供電，而另一個(gè)電源閑置待機(jī)。如果有源電源電壓由于故障或移除而下降或消失，則曾經(jīng)的較低電壓電源變?yōu)檩^高電壓電源，因此它接管負(fù)載。二極管可防止電源之間的反向饋電和交叉?zhèn)鲗?dǎo)，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受電源故障的影響。

二極管OR是一個(gè)簡(jiǎn)單的贏家通吃系統(tǒng)，其中最高電壓電源提供整個(gè)負(fù)載電流。在啟動(dòng)之前，較低電壓電源將保持空閑狀態(tài)。雖然易于實(shí)施，但 1 + 1 解決方案效率低下，浪費(fèi)了本可以更好地用于提高整體運(yùn)營(yíng)效率和使用壽命的資源。電源串聯(lián)分擔(dān)負(fù)載要好得多，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

如果每個(gè)負(fù)載承擔(dān)一半的負(fù)載，從而分散供熱并減少電源組件上的熱應(yīng)力，則電源壽命會(huì)延長(zhǎng)。電子產(chǎn)品使用壽命的經(jīng)驗(yàn)法則是，溫度每下降10°C，組件的故障率就會(huì)減半。這是一個(gè)顯著的可靠性增益。

由于較低電壓電源始終處于工作狀態(tài)，因此在過渡到可能已經(jīng)靜默失效的備用電源時(shí)，這在簡(jiǎn)單的二極管OR系統(tǒng)中是可能的，這并不奇怪。

在負(fù)載共享系統(tǒng)中，可以將較小的手頭電源并聯(lián)以構(gòu)建較大的電源。

供應(yīng)故障的恢復(fù)動(dòng)態(tài)更平穩(wěn)、更快，因?yàn)楣?yīng)變化的數(shù)量級(jí)越來越少，而不是斷斷續(xù)續(xù)。

由兩個(gè)以半容量運(yùn)行的電源組成的DC/DC轉(zhuǎn)換器比接近滿容量運(yùn)行的單個(gè)電源具有更好的整體轉(zhuǎn)換效率。

均流方法

連接多個(gè)電源的輸出允許它們共享一個(gè)公共負(fù)載電流。電源之間的負(fù)載電流分配取決于各個(gè)電源輸出電壓和公共負(fù)載的電源路徑電阻。這稱為下垂共享。為了防止電源回饋并將系統(tǒng)與故障電源隔離，二極管可以與每個(gè)電源串聯(lián)插入。當(dāng)然，這種增加的二極管壓降會(huì)影響負(fù)載分配的平衡。

下垂共享很簡(jiǎn)單，但共享精度控制不佳，串聯(lián)二極管存在電壓和功率損耗。一種更可控的均流方法是監(jiān)控電源電流，將其與每個(gè)電源所需的平均電流進(jìn)行比較，然后調(diào)整電源電壓（通過其微調(diào)引腳或反饋網(wǎng)絡(luò)），直到電源電流與所需值匹配。這種方法需要連接到每個(gè)電源（共享總線）的電線，以指示每個(gè)電源所需的電流貢獻(xiàn)。均流環(huán)路補(bǔ)償是定制的，以適應(yīng)電源環(huán)路動(dòng)態(tài)。受控均流需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和訪問所有電源，這在某些系統(tǒng)中是不可能的。

本文介紹了一種新的均流方法，該方法允許主動(dòng)控制單個(gè)電源貢獻(xiàn)，但具有下垂共享的簡(jiǎn)單性。在該系統(tǒng)中，二極管被可調(diào)二極管取代，可調(diào)二極管的導(dǎo)通電壓可以調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)平衡均流。這比下垂共享產(chǎn)生更好的共享精度，并且可調(diào)二極管中消耗的功率是實(shí)現(xiàn)共享所需的最小功率，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二極管的損耗。由于不需要共享總線，因此它提供了更簡(jiǎn)單的電源獨(dú)立補(bǔ)償和便攜式設(shè)計(jì)。難以或無法接近其微調(diào)引腳和反饋網(wǎng)絡(luò)的電源是這種技術(shù)的理想選擇。

均流控制器

LTC4370 采用凌力爾特專有的可調(diào)二極管均流技術(shù)。它使用外部 N 溝道 MOSFET 平衡兩個(gè)電源之間的負(fù)載，該 MOSFET 充當(dāng)可調(diào)二極管，其導(dǎo)通電壓可以調(diào)制以實(shí)現(xiàn)平衡共享。圖 1 示出了在兩個(gè) 12V 電源之間共享一個(gè) 10A 負(fù)載的 LTC4370 圖 2 示出了影響負(fù)載均分的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。誤差放大器 EA 監(jiān)視 OUT1 和 OUT2 引腳之間的差分電壓。它設(shè)定正向調(diào)節(jié)電壓V法國兩個(gè)伺服放大器（SA1、SA2），每個(gè)電源一個(gè)。伺服放大器調(diào)制外部 MOSFET 的柵極（因此其電阻），使得 MOSFET 兩端的正向壓降等于正向調(diào)節(jié)電壓。誤差放大器設(shè)定 V法國在較低電壓電源上，最小值為 25mV。較高電壓電源上的伺服設(shè)置為25mV加上兩個(gè)電源電壓的差值。這樣，兩個(gè)OUT引腳電壓都實(shí)現(xiàn)了均衡。OUT1 = OUT2 表示 I1? R1= I2? R2.因此，我1= I2如果 R1= R2.只需對(duì)不同值檢測(cè)電阻進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，即可設(shè)置比例共享，即I1/我2= R2/R1.注意，負(fù)載電壓比最低電源電壓低25mV。

圖1.LTC4370 在兩個(gè)二極管 OR 的 12V 電源之間平衡一個(gè) 10A 負(fù)載電流。通過調(diào)制 MOSFET 壓降以抵消電源電壓的失配來實(shí)現(xiàn)共享。

圖2.LTC4370 的負(fù)載分配相關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

MOSFET與伺服放大器一起表現(xiàn)得像一個(gè)二極管，其導(dǎo)通電壓是正向調(diào)節(jié)電壓。當(dāng) MOSFET 的正向壓降低于調(diào)節(jié)電壓時(shí)，MOSFET 關(guān)斷。隨著MOSFET電流的增加，柵極電壓上升以降低導(dǎo)通電阻，以保持正向壓降在V法國.這種情況一直持續(xù)到柵極電壓軌在高于電源電壓12V時(shí)耗盡。電流的進(jìn)一步上升使MOSFET兩端的壓降線性增加，如I場(chǎng)效應(yīng)管? RDS（ON）.

綜上所述，當(dāng)誤差放大器設(shè)定伺服放大器的正向調(diào)節(jié)電壓時(shí)，在功能上等效于調(diào)節(jié)（基于MOSFET）二極管的導(dǎo)通電壓。調(diào)整范圍為最小25mV至RANGE引腳設(shè)置的最大值（參見下面的“設(shè)計(jì)考慮因素”）。

控制器可負(fù)載 0V 至 18V 的共享電源。當(dāng)兩個(gè)電源均低于2.9V時(shí)，在V電壓下需要一個(gè)2.9V至6V范圍的外部電源抄送引腳為L(zhǎng)TC4370供電。在反向電流條件下，MOSFET 的柵極在 1μs 內(nèi)關(guān)斷。門也會(huì)在一微秒內(nèi)打開，以實(shí)現(xiàn)較大的正向下降?？焖賹?dǎo)通對(duì)于低壓電源很重要，可通過集成電荷泵輸出端的儲(chǔ)能電容器實(shí)現(xiàn)。它在器件上電時(shí)存儲(chǔ)電荷，并在快速導(dǎo)通事件期間提供 1.4A 的柵極上拉電流。

EN1 和 EN2 引腳可用于關(guān)斷各自的 MOSFET。請(qǐng)注意，電流仍可流過 MOSFET 的體二極管。當(dāng)兩個(gè)通道均關(guān)斷時(shí)，器件電流消耗降至每個(gè)電源 80μA。FETON 輸出指示相應(yīng)的 MOSFET 是打開還是關(guān)閉。

均流特性

圖 3 示出了可調(diào)二極管方法LTC4370 的均流特性。有兩個(gè)圖，均具有電源電壓差，ΔV在= V合1– VIN2，在 x 軸上。上圖顯示了歸一化為負(fù)載電流的兩個(gè)電源電流;下方顯示正向壓降，V富衛(wèi)，跨越 MOSFET。當(dāng)兩個(gè)電源電壓相等時(shí)（ΔV在= 0V），電源電流相等，兩個(gè)正向電壓均處于25mV的最小伺服電壓。作為 V合1增加到 V 以上IN2（正 ΔV在）、V前驅(qū)2保持在 25mV，而 V前驅(qū)1隨 ΔV 精確增加在以保持 OUT1 = OUT2。這輪到我了1= I2= 0.5I負(fù)荷.

圖3.LTC4370方法的均流特性隨電源電壓差的變化而變化。

V的調(diào)整有上限前輪驅(qū)動(dòng)由范圍引腳設(shè)置。對(duì)于圖3中的示例，該限值為525mV，由RANGE引腳設(shè)置為500mV。一次 V前驅(qū)1達(dá)到這個(gè)限制，共享變得不平衡，V進(jìn)一步上升合1將 1 推出 2 之上。

斷點(diǎn)為 VFR（最大）– VFR（分鐘），其中更多的負(fù)載電流來自更高的電壓電源。當(dāng) OUT1 – OUT2 = I負(fù)荷? R意義，整個(gè)負(fù)載電流轉(zhuǎn)移到I1.這是MOSFET M1中功率耗散最大的工作點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)負(fù)載電流以最大的正向壓降流過它。例如，一個(gè) 10A 負(fù)載電流會(huì)導(dǎo)致 MOSFET 中耗散 5.3W （= 10A ? 525mV）。對(duì)于 ΔV 的任何進(jìn)一步上升在，控制器將M1兩端的正向壓降斜坡減小至最小值25mV。這最大限度地減少了大 V MOSFET 中的功耗在當(dāng)負(fù)載電流未共享時(shí)。對(duì)于負(fù) ΔV 的行為是對(duì)稱的在.

本例中的共享捕獲范圍為500mV，由RANGE引腳電壓設(shè)置。在此范圍內(nèi)，控制器可以共享容差為 ±250mV 的電源。這意味著：3.3V電源的容差為±7.5%，5V電源的容差為±5%，12V電源的容差為±2%。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

這些是負(fù)載共享設(shè)計(jì)的一些高級(jí)注意事項(xiàng)。

MOSFET 選擇 — 理想情況下是 MOSFET 的 RDS（ON）應(yīng)該足夠小，以便控制器可以在MOSFET兩端伺服25mV的最小正向調(diào)節(jié)電壓，一半的負(fù)載電流流過MOSFET。更高的RDS（ON）防止控制器調(diào)節(jié)25mV。在這種情況下，非調(diào)節(jié)壓降為0.5IL? RDS（ON）.隨著此下降的上升，共享斷點(diǎn)（現(xiàn)在由 V 定義）FR（最大）– 0.5IL? RDS（ON）） 發(fā)生較早，縮小了捕獲范圍。

由于 MOSFET 耗散功率，最高可達(dá) IL? VFR（最大）如圖3所示，應(yīng)適當(dāng)選擇其封裝和散熱器。在MOSFET中消耗更少功率的唯一方法是使用更精確的電源或放棄共享范圍。

RANGE 引腳 — RANGE 引腳設(shè)置應(yīng)用的共享捕獲范圍，這反過來又取決于電源的精度。例如，具有 ±3% 容差電源的 5V 系統(tǒng)需要 2 ? 5V ? 3% 或 300mV 的共享范圍（較高電源為 5.15V，而較低電源為 4.85V）。RANGE 引腳具有一個(gè) 10μA 的精密內(nèi)部上拉電流。在 RANGE 引腳上放置一個(gè) 30.1k 電阻可將其電壓設(shè)置為 301mV，現(xiàn)在控制器可以補(bǔ)償 300mV 的電源電壓差（見圖 4）。

圖4.5V 二極管或負(fù)載均分，帶狀態(tài)燈。每當(dāng)任何 MOSFET 關(guān)閉時(shí)，紅色 LED D1 就會(huì)亮起，表示共享中斷。

保持RANGE引腳開路（如圖1所示）可提供600mV的最大可能共享范圍。但是，當(dāng)伺服電壓接近二極管電壓時(shí)，電流可能會(huì)流過MOSFET的體二極管，從而導(dǎo)致共享丟失。將范圍連接到 V抄送禁用負(fù)載均分，將器件轉(zhuǎn)換為雙通道理想二極管控制器。

補(bǔ)償 — 負(fù)載均分環(huán)路由單個(gè)電容器從 COMP 引腳到地進(jìn)行補(bǔ)償。該電容器必須是 MOSFET 輸入（柵極）電容的 50×CHS2.如果未使用快速柵極導(dǎo)通（沒有CPO電容器），則電容器可能僅為10× CHS2.

檢測(cè)電阻 — 檢測(cè)電阻決定負(fù)載均分精度。精度隨著電阻電壓降的增加而提高。最大誤差放大器失調(diào)為2mV。因此，一個(gè)25mV的檢測(cè)電阻壓降會(huì)產(chǎn)生4%的均分誤差。如果功耗比精度更重要，則可以降低電阻。

結(jié)論

平衡電源之間的負(fù)載電流是一個(gè)歷史上的難題，讓人聯(lián)想到在鋼絲上玩弄的景象。當(dāng)電源模塊或模塊不提供內(nèi)置支持時(shí)，一些設(shè)計(jì)人員將花費(fèi)大量時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)控制良好的系統(tǒng)（并在電源類型發(fā)生變化時(shí)重新設(shè)計(jì)它）;其他人將滿足于基于粗暴阻力的下降分享。

LTC4370 采用與任何其他控制器完全不同的負(fù)載均分電源方法。它簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，尤其是不適合即時(shí)調(diào)整的耗材，并且可以移植到各種類型的耗材上。固有的二極管行為可保護(hù)電源免受反向電流的影響，并保護(hù)系統(tǒng)免受電源故障的影響。LTC4370 為一個(gè)復(fù)雜的問題提供了一種簡(jiǎn)單、優(yōu)雅和緊湊的解決方案。

審核編輯：郭婷